GH188合金的微观组织和均匀化工艺

王中原，张伟强，信 昕，孙文儒，郭守仁

(1.沈阳理工大学材料科学与工程学院，辽宁沈阳110159;2.中科院沈阳金属研究所，辽宁沈阳110016)

GH188合金是固溶强化型钴基高温合金，国外相近牌号为Haynes188，该合金具有优良的加工、焊接及抗高温氧化性能［1-2］。在 80年代，GH188合金被应用于涡轴八航空发动机的涡流板、火焰导向器等部件。目前，部分航空发动机选用GH188合金板材做燃烧室内壁、外壁、封严片等高温部件［3］。本文研究了GH188的微观组织和均匀化工艺，这对合金的后续研究具有非常重要的意义。

1 实验材料和方法

试样是通过真空感应熔炼成的18kg的铸锭，其化学成分如表1所示。

表1 GH188合金成分(质量分数)wt.%

在铸锭边缘、铸锭半径的1/2处以及铸锭中心位置分别取样进行铸态组织分析，在铸锭心部取样进行元素偏析和均匀化退火工艺研究。

铸态组织和均匀化研究中试样所用的电解腐蚀剂为王水甘油，腐蚀剂的成分为10mL HNO3+30mL HCl+50mL甘油;腐蚀电压为15V;腐蚀电流为5mA/mm2;腐蚀时间为35s。

2 实验结果及分析

2.1 铸态组织

在金相显微镜下观察铸锭心部、1/2半径和边缘处的组织如图1所示。

图1 合金的铸态组织

由图1a～1c可看出，铸锭的心部为等轴晶;在铸锭的心部和表面之间的区域为柱状晶区;铸锭的表面为细晶区，在铸锭心部和铸锭的1/2半径处有大量的析出物。在高倍显微镜下发现(图1d～1f)，析出物主要分布在晶界和晶内的枝晶间处，枝晶间上析出物形态差别较大，在枝晶间析出相的周围没有发现明显的偏析区。

2.2 铸态组织中的析出相

在Haynes188(GH188)合金的轧态组织中，只有M6C和M23C6两种析出相［1］。当合金在980℃保温200h以上时合金中才会有Laves相析出，其中 M6C 富 W，M23C6富 Cr。

GH188铸锭中的析出相的形态如图2所示。

图2 铸锭的析出相

由图2可看出，图2a中析出物呈岛状共晶，共晶组织主要由白亮相和灰色相组成，灰色相呈鱼骨状，白亮相呈块状。白亮相主要分布在共晶组织的心部而灰色相围绕在其周围，从而得知，在合金凝固时白亮相比灰色相先凝固;由能谱分析(图2b～2c)可知，白亮相富含大量的W，为M6C，而灰白相则富Cr和W，为M23C6;由图2d可知，在合金晶界上有不规则形状的M23C6析出;由电子探针的背散射图片(图2e)发现，在晶粒内部有灰色块状的M23C6和白亮小颗粒状的M6C。

通过电子探针检测得M6C和M23C6的化学成分如表2所示。

表2 共晶相的化学成分(质量分数)wt.%

由表1、图2、表2可知，在合金冷却凝固时，M6C相比M23C6相先析出，而M6C相中Cr的含量比合金平均Cr的含量低，因此在析出M6C的同时，M6C不断向液相界面排出大量的Cr，在这个固液界面形成一个负浓度梯度的富Cr层;同时M6C凝固时放出潜热，由固液界面到液相区，形成负温度梯度，由于M23C6的凝固点较低，因此距M6C相较远处才满足形成M23C6的浓度条件和温度条件，所以M23C6相开始凝固时并不是在M6C表面析出。同时M23C6相的析出消耗大量的Cr，而M6C-液界面不断向液相排出大量的Cr，因此M23C6相向M6C相的方向生长，M6C-液相界面与M23C6-液相界面相遇，同时铸锭的温度也在降低，最后共同析出由M23C6和M6C组成的伪共晶组织。

图3 铸锭心部元素分布

铸锭心部组织的元素面扫结果如图3所示。其中图3a是二次电子照片，由图3a可看出该组织为共晶状，两相的界面平直;由图3b和图3g可知，B和La的分布比较均匀，没有发生偏聚;由图3c、图 3d 和图 3h 可知，C、Cr、W 分布不均匀，Cr、W明显聚集在析出相上，而C富集在析出相与基体的界面上;由图3a和图3d可看出灰白相富集有大量的Cr，为M23C6;由图3a和图3h可知，白亮相含W较多，为M6C相;由图3e和图3f可看出，Ni和Co的分布情况相似，这主要是因为它们的晶格常数比较相近，能够完全互溶。

铸态组织枝晶间和枝晶干的平均化学成分如表3所示。

表3 铸态组织枝晶干和枝晶间的化学成分(质量分数)wt.%

表3中K(枝晶间平均浓度与枝晶干平均浓度的比值)为偏析系数，C、Cr、Mn、Si、W 的 K 值大于1，为正偏析元素;Fe和Ni的K值小于1，为负偏析元素。由表3可以看出合金元素在枝晶间和枝晶干上分布不均匀，所以必须通过均匀化削弱其枝晶偏析，消除共晶组织中尺寸较大的碳化物，防止铸锭在后续的锻造变形时开裂。

2.3 均匀化工艺研究

2.3.1 合金的经过不同均匀化后的组织

从铸锭心部取样，分别在 1190℃、1200℃、1210℃保温1h，水淬。合金的组织如图4所示。

图4 不同温度均匀化后的组织

由图4可知，随保温温度的升高，M23C6的数量逐渐减少，M23C6的边缘也逐渐变得模糊，同时在M23C6和基体的交界处出现孔洞，甚至部分M6C附近的M23C6完全溶入基体中。同时发现，共晶组织的M6C也由大块状的M6C变成小块状，这说明M6C也开始回溶至基体中。合金经过1210℃固溶1h后，合金中M23C6的鱼骨状条纹比铸态组织中的条纹细小，这是由于部分的共晶组织中初生的M23C6在1210℃保温时发生熔化，在随后的水淬过程中M23C6来不及长大所致，由此可知此铸锭的初熔温度为1210℃，因此均匀化的温度应低于1210℃。一般在制定均匀化工艺时，温度是主要因素，且均匀化的温度尽量接近合金的初熔温度，以缩短均匀化的时间，提高均匀化的生产效率。合金在1200℃均匀化时发现组织内部出现了大量的孔洞，均匀化效果不佳，所以在本实验中较为合适的均匀化温度为1180℃。

GH188铸锭在1180℃保温5h和20h后的心部组织如图5所示。

由图5可知，合金保温5h后，在晶界和晶粒内部有少量的析出相呈弥散状分布;当保温时间为20h时，合金的共晶状碳化物基本上完全回溶至基体中，获得了较为均匀的组织，合金的均匀化效果较好。

图5 1180℃保温不同时间的组织

2.3.2 均匀化动力学分析

加热温度和保温时间是制定均匀化退火制度的最重要的两个因数。据文献［4］报道:在铸态组织中，固溶体内部各合金组元的浓度沿枝晶间大多呈周期性变化，且均匀化过程中合金元素在给定温度下随着时间和位置按下式规律变化

¯C、ΔC0、D、L、t分别为合金元素平均浓度、最高浓度与平均浓度的差值、扩散系数、枝晶间距和均匀化时间。为方便计算和更好地说明均匀化效果，引入偏析指数δ表征合金中元素的偏析程度。当x=0时(一次枝晶轴)，Cr和W的浓度达到最低值;当x=L/2(枝晶间)时Cr和W的浓度达到最大值，则式(1)变为

C0max、C0min分别为原铸态组织中元素的最高浓度值和最低浓度值，Cmax、Cmin为试样均匀化热处理后元素的最高浓度值和最低浓度值，从式(2)可以看出合金的偏析指数与元素的扩散系数、枝晶间距以及均匀化时间等参数有关，枝晶间距取决于铸锭的凝固速度、过冷温度等。扩散系数与温度有关，所以在均匀化热处理时，温度起了非常重要的作用，温度越高均匀化所用的时间也就越短，但温度过高则可能过烧，使晶界部分熔化。当温度不变时扩散系数D为定值，由(2)式可得:

由式(3)可看出，在同一温度下，lnδ与t呈直线关系。本试验给出在1180℃保温不同时间Cr和W的lnδ(图6所示)值，由图6可看出，lnδ与t基本满足直线关系，式(3)正确的反映了扩散规律，可用它进行计算扩散系数。铸态心部组织一次枝晶间距为L=340μm，由图6的斜率及式(3)可得，在1180℃合金中Cr和W的扩散系数DCr为4.78 ×10-14m2s-1，DW为3.57×10-14m2s-1。

图6 Cr、W元素在1180℃下的lnδ-t关系曲线

计算表明，Cr和W在1180℃退火20h的偏析指数分别为0.14，0.40，此时Cr和W的偏析系数分别是1.02、1.03，基本上消除了枝晶偏析，因此本次研究的合金经1180℃退火20h是比较合理的。

3 结论

1)GH188合金铸锭心部组织为等轴晶，1/2半径处为柱状晶，表面为细晶区。

2)铸态组织中主要的析出相为M6C、M23C6。铸态组织存在明显的偏析，C、Cr、Mn、Si、W 为正偏析元素，Fe和Ni为负偏析元素，其中Mn和Si的偏析最为严重。

3)GH188合金在1180℃保温20h后基本消除了共晶组织中尺寸较大的碳化物和枝晶偏析，均匀化效果较好。

［1］K Bhanu Sankara Rao，M G Castelli.A Critical Assessment of the Mechanistic Aspects in HAYNES 188 during Low-Cycle Fatigue in the Range 25℃ to 1000℃［J］.Metall Mater Trans A ，1997，28A:347-361.

［2］《中国航空材料手册》编辑委员会.中国航空材料手册［M］.北京:中国标准出版社，2002.

［3］李伟，牛建科.热处理对GH188合金650℃拉伸塑性的影响［J］.特钢技术，2004，9(4):10-11.

［4］夏立芳.金属中的扩散［M］.北京:冶金工业出版，1989.