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Nb含量对GH4169合金钢锭凝固及均匀化过程相演化规律的影响

点击率:    发布时间:2015/1/20 14:54:24    信息来源:上海钜利金属

GH4169合金是目前使用量大的沉淀强化镍基高温合金,主要用于航空航天发动机涡轮盘及导向叶片和地面燃气轮机的制造。Nb为其中γ”强化的主要合金元素。在优质GH4169合金中,Nb元素质量分数为4.75%~5.5%。Nb元素既对合金的强化起到关键作用,同时又成为合金主要的偏析元素。Nb元素的偏析会在枝晶间产生各种析出相,微观偏析到一定程度就会产生宏观偏析,如“黑斑”等缺陷使钢锭报废。因此研究Nb元素含量和冷速对于析出相行为的影响对提高GH4169合金钢锭质量稳定性具有重要意义。

  科研人员采用某单位冶炼的不同Nb含量的GH4169合金钢锭,结合热力学软件Thermo-Calc的模拟结果及电子探针成分分析,系统分析了Nb元素含量和冷速对于析出相行为的影响,旨在为GH4169合金的进一步改型提供实验依据。

  实验材料经真空感应冶炼的50kg直径160mm钢锭,Nb元素质量分数分别为5.2%、5.4%、5.6%。沿钢锭直径方向在边缘、1/2半径、中心处分别取10mm×10mm×8mm的长方体试样,进行铸态组织观察和分析。鉴于实验重点为观察均匀化前后析出相的形态变化,因此只采用1160℃保温20h的第1阶段均匀化处理。

  将切好的试样进行打磨抛光之后,进行电解腐蚀,利用Leo-80扫描电镜观察铸态及均匀化后的组织特征。同时利用扫描电镜观察均匀化后的样品的背散射电子像,分析其均匀化后残留析出相的形态及成分分布。进而,利用热力学软件Thermo-Calc及相应的Ni基数据库对GH4169合金的凝固行为进行分析。其中采用equilibrium平衡模型,计算合金系统中的平衡相的稳定性及相组成;采用Scheil-Gullier模型分析元素的偏析行为。同时,系统分析Nb元素含量变化对合金的平衡相的稳定性、相组成及元素偏析行为的综合影响。试验结果如下:

  (1)GH4169合金凝固过程中,Nb为主要的偏析元素,Nb元素含量的增加会降低合金初熔点和终熔点,扩大凝固区间,增加偏析形成的趋势。

  (2)Nb元素含量的增加可以提高Laves相的析出温度。如果Nb元素偏析浓度超过7.0%,Laves相的析出温度会高于标准均匀化温度1160℃,导致部分高浓度下生成的Laves相无法回溶。

  (3)根据凝固过程中各相Gibbs自由能变化规律,GH4169合金凝固过程中,达到Laves相形成温度后,Laves相的形成激活能显著小于MC碳化物,此阶段高浓度的Nb元素含量主要用于Laves相的析出和生长,Laves相大量形成抑制了MC碳化物的进一步形成和长大,导致了Laves相与MC碳化物集合体的产生。