K501高温合金热处理及组织结构研究

2015-07-20王希多中航工业沈阳黎明航空发动机集团有限责任公司辽宁沈阳110043

中国新技术新产品 2015年6期

王希多（中航工业沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司，辽宁沈阳 110043）

K501高温合金热处理及组织结构研究

王希多
（中航工业沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司，辽宁沈阳 110043）

摘要：镍基K403高温合金作为飞机发动机某零件的材料，经常会被烧穿和冷热疲劳开裂，致使零件的使用寿命较短，影响了整体结构的可靠性和使用寿命，个别该零件的局部过烧和热疲劳开裂将成为严重的问题。新型材料K501铸造高温合金材料，具有初熔温度高、超高温拉伸性能、抗热疲劳能力的上限温度高、高温抗氧化、抗腐蚀能力好、工艺性能好等特点，允许补焊、强度适中等特点，它正好弥补了上述合金的不足。因此，研究K501铸造高温合金组织结构成为很迫切的问题。

关键词：K501 热处理；组织结构；试验方法

1 实验材料

所选试验材料是我国自行研制的具有自主知识产权的镍基K501铸造高温合金。母合金的成分为（0.02～0.10）%C、15.5% Cr、12.0%W、1.85%Mo、3.7%Al、0.007%B、0.02%Zr；Ni为基体。

2 试验方法

2.1 热处理实验

热处理采用SX2-10-13高温箱式电阻炉固溶，采用SX2-8-10中温箱式电阻炉时效，采用VGQV-240真空炉固溶后控制冷速，温度偏差控制在±10℃。

2.2 显微镜观察

从同炉的试棒上切取金相试样观察金相组织；分别在光学显微镜观察（OM）、 S360型扫描电镜（SEM）观察和TEM样品PhilipsLEM420型分析电镜在上进行观察和分析。

3 K501合金的组织结构

合金的性能决定于合金的组织。当合金的成分一定时，组织主要由热处理制度决定。因此要发挥合金的性能，必须研究合金的组织结构的变化。

3.1 实验方法

K501合金热处理制度：

1100℃/2h，炉冷（1100℃在10-20分钟内快速冷却到500℃），然后空冷或炉冷到室温，从同炉的试棒上切取金相试样观察金相组织；TEM样品在PhilipsLEM420型分析电镜上进行观察和分析，金相试样经磨平抛光腐蚀后在S360型扫描电镜上进行观察，金相及SEM试样的腐蚀液为：40%HCl+20 %C2H5OH+1.5 gCuSO4+40%H2O。

3.2 实验结果与分析

3.2.1 K501合金的相

（1）合金中的γ-固溶体

图3-1可见，室温下在Ni、W和Cr各角附近分别形成γ、α-Cr和α-W相，K501合金在1000℃以上时，除有少量液析的M6C和α-W外，几乎全部是γ-固溶体。γ-固溶体的平均成分基本上是合金成分。由于γ-固溶体中允许溶入较多的W和Cr，使其不仅有很好的高温强度和抗氧化能力，而且也不会析出其它相。

（2）合金中的γ΄相

可见，γ΄的开始析出温度为1000℃，900℃以下长期时效后，γ΄数量大约（20～30）%。γ΄相是合金的主要强化相，如含量低于20%，强度就会偏低；高于30%，冷热疲劳性能就会恶化。

图2（a）为热处理后的γ΄相，均呈立方状。这表明，γ和γ΄之间的表面能低，铸态γ΄尺寸一般为1～3um。尺寸又比较粗大，因而热稳定好，高温长期使用过程中，γ΄尺寸变化不会大，保证了性能的稳定性。

（3）合金中的其它析出相

观察图2（b）发现，较亮析出相应为α-W，较暗析出相为碳化物M6C。在1000℃以下时，γ-固溶体中，将过饱和析出大量的γ΄相。γ΄相中贫Cr、Mo，特别是贫Cr，因此γ΄大量析将使γ-固溶体中大量富集Cr、Mo，这将有可能使γ-固溶体过饱和析出M6C、M23C6和其它金属间化合物。