铸锭GH3625合金微观偏析及均匀化热处理

丁雨田，李海峰，王 伟，刘建军，郭廷彪，胡 勇

（省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室（兰州理工大学），兰州730050）

铸锭GH3625合金微观偏析及均匀化热处理

丁雨田，李海峰，王 伟，刘建军，郭廷彪，胡 勇

（省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室（兰州理工大学），兰州730050）

为消除铸态GH 3625合金的显微偏析，改善其热加工性能，建立其均匀化动力学并制订均匀化处理制度，采用Image⁃Pro Plus软件、扫描电镜（SEM）和能谱分析仪（EDS），对通过真空感应熔炼和电渣重熔双联工艺制备的GH 3625合金电渣锭的显微组织及元素偏析情况进行分析和研究.同时，对铸态GH 3625合金在不同温度下同一时间及同一温度下不同时间进行了均匀化处理.结果表明：GH 3625合金电渣锭存在明显的枝晶间微观偏析，主要偏析元素为Nb、Mo等，形成富Nb的Laves相、MC碳化物；不同元素的偏析程度为Nb＞Mo＞Ti＞Al＞Cr；Nb、Mo、Ti、Al在枝晶间大量富集，使得Laves等多种非平衡相在枝晶间析出；在均匀化过程中，随着均匀化温度的升高和时间的延长，偏析元素逐渐扩散均匀；当热处理制度为1 130℃×32 h时，元素偏析基本消除；Laves相体积分数随均匀化处理时间呈明显指数函数特征，V1130℃＝0.033 5exp（－0.163 1t）.

GH 3625合金；显微偏析；均匀化处理；Laves相；碳化物

GH 3625合金是20世纪50年代发展起来的，在650℃以下具有优异的高温蠕变性能、持久性能、抗氧化和抗腐蚀性能［1－4］.在低温～1 095℃具有良好的强度和韧性［5－7］，被广泛应用于工业燃气轮机、核动力设备、化工厂和海水专用设备的管道系统，是航空、航天、核能、石油和化工等工业关键的零件材料［8－9］.GH 3625合金是一种以钼（Mo）和铌（Nb）为主要强化元素的固溶强化型镍基变形高温合金，其合金化程度高，含有大量的Al、Ti、Nb和Mo等容易偏析的元素.均匀化处理是为了消除显微偏析，获得均匀的化学成分，改善合金的热加工性能，充分发挥GH 3625合金性能潜力的关键工艺［10－16］.

本文对双联工艺冶炼的GH 3625合金铸锭的元素偏析情况、均匀化过程中元素再分配以及均匀化动力学进行研究，为制定GH 3625合金的均匀化处理工艺提供参考.

1 实 验

实验用GH 3625合金，采用真空感应＋电渣重熔双联工艺制备，合金的主要化学成分见表1.在直径120 mm的电渣锭R/2处取样，规格为10 mm×10 mm×12 mm的方形试样.将试样分为2组，将第1组试样在1 130、1 140、1 150、1 160、1 170、1 180℃均匀化处理1 h，然后立即水淬；第2组试样在1 130℃分别保温4、8、16、32 h后立即水淬.将2组均匀化处理后的试样经机械抛光后，在30 mL HCl＋10 mL HNO3＋50 mL（甘油）溶液中进行电解腐蚀（电解参数15 V，10 s）.分别采用ZEISS金相显微镜（OM）和配置有牛津INCA能谱仪的型号JSM－6700场发射扫描电子显微镜（SEM）测量枝晶间距，观察显微组织；利用EDS能谱仪进行微区成分分析，并对析出相进行鉴定；利用Image⁃Pro Plus软件对偏析相进行定量分析.

表1 GH 3625镍基高温合金的化学成分（质量分数/%）Table 1 Chemical composition of GH 3625 alloy（mass fraction/%）

2 结果与讨论

2.1 铸锭原始组织及偏析相

GH 3625合金电渣锭显微组织如图1所示，可以明显看到一次枝晶和二次枝晶.由图1（a）可知，GH 3625合金电渣锭的横截面枝晶相互交错呈网格状.由图1（b）可知，GH 3625合金电渣锭的纵截面树枝晶具有明显的方向性，这与电渣过程中熔池的深度和冷却速率有很大关系.通过金相测量得到，一次枝晶臂间距为162.5 μm，二次枝晶臂间距为27.1 μm.

GH 3625合金中的显微偏析相分布如图2所示.由图2（a）可知，GH 3625合金的显微偏析存在于枝晶间.在铸锭中选择不同的区域做EDS点分析，得到图3（a）、3（b）和3（c）.

图1 GH 3625合金铸态显微组织Fig.1 Microstructures of as⁃cast GH 3625 alloy：（a）Cross section；（b）Longitudinal section

图2 GH 3625合金铸锭偏析相分布Fig.2 Segregation phase of cast GH 3625 alloy：（a）OM；（b）Image⁃Pro

由图3可知，GH 3625合金铸锭中存在富Nb、Cr、Mo、Al等元素偏析相，还发现一些碳化物.采用Image⁃Pro Plus软件对图2（a）中GH 3625合金电渣铸锭组织进行颜色分离，得到图2（b）.图2（b）中黑色区域为枝晶间偏析相，对图2（b）黑色区域进行统计计算，得到枝晶间偏析相的体积分数为3.35%.对枝晶干和枝晶间进行EDS线分析，结果如图4所示.由图4可知，偏析相主要成分为Nb、Mo、Ti等元素，GH 3625合金中Nb和Mo的质量分数分别高达3.44%和8.58%.这些Nb、Mo、Ti等合金元素的加入，虽然能提高合金的强度和耐蚀性，但合金化程度的提高会使GH 3625合金的变形抗力增加，在液相凝固过程中容易产生比较严重的枝晶微观偏析.

图3 GH 3625合金铸锭偏析EDS点分布Fig.3 EDS point distribution for GH 3625 alloy as⁃cast：（a）Periphery；（b）1/2 radius；（c）Center

图4 GH 3625合金铸锭偏析EDS线分布Fig.4 EDS Line scanning for GH 3625 alloy as⁃cast

有报道表明：在Nb含量较高的合金液相凝固过程中，由于Nb在残余液相中偏聚使其含量倍增，常伴随Laves相出现，Laves相为脆性相，会明显降低合金的冲击性能和塑性，不利于合金的开坯［17］.

采用EDS能谱仪对枝晶干和枝晶间的元素含量进行测定，并计算偏析系数K（K＝枝晶间元素平均成分/直径干元素平均成分）来表征GH 3625合金元素偏析程度，结果见表2.Nb、Mo、Ti、Al等元素偏析系数大于1，在枝晶间富集，为正偏析元素；而Cr偏析系数小于1，在枝晶干富集，为负偏析元素.

表2 GH 3625合金铸锭主要元素在不同位置的含量（质量分数/%）Table 2 The main element composition of GH 3625 alloy ingot（mass fraction/%）

不同元素的偏析程度为：Nb＞Mo＞Ti＞Al＞Cr.Nb、Mo、Ti、Al在枝晶间的大量富集，使得Laves等多种非平衡相在枝晶间析出.通过对枝晶间的偏析相分析可知，GH 3625合金铸锭存在明显的枝晶间偏析，因此，必须对GH 3625合金铸锭进行均匀化处理，以消除Nb、Mo、Ti等元素引起的显微偏析，使有害析出相回溶.

2.2 均匀化过程中组织分析及元素再分配

GH 3625合金铸锭在不同温度下均匀化1 h后的显微组织如图5所示.与图1铸态组织相比，在不同温度下经过1 h均匀化处理的组织形貌发生明显变化，可以清楚地看到，枝晶明显消熔，但还未完全消除，均匀化不完全.同样，采用Image⁃Pro Plus软件对图5（a）～5（f）中枝晶间的偏析相进行统计，结果如图6所示.由图6可知，随着温度的不断升高，枝晶间的偏析相逐渐减少.

图5 GH 3625合金在不同温度下均匀化处理1 h的组织Fig.5 Microstructures of GH 3625 alloy at different temperatures homogeneous for 1 h：（a）1 130℃；（b）1 140℃；（c）1 150℃；（d）1 160℃；（e）1 170℃；（f）1 180℃

图6 GH 3625合金在不同温度下均匀化处理1 h的枝晶间相体积分数Fig.6 Volume fraction of inter⁃dendritic region of GH 3625 alloy at different temperatures homogeneous for 1 h

从微观角度分析，Laves相的回溶实际上是Laves相中溶质原子向枝晶干区域扩散的结果，而晶体中的原子进行扩散时不论按间隙机制、交换机制还是空位机制进行，均需克服一定的能垒才能实现原子从一个平衡位置到另一个平衡位置的跃迁.因此，提高均匀化温度无疑为即将扩散的原子提供了更多能量，使得原子扩散加快，扩散系数增加，继而表观上表现为Laves相回溶速度加快.

2.3 均匀化动力学研究

GH 3625合金铸锭在1 130℃下不同时间均匀化处理后的显微组织变化如图7所示，其中，图7（a）～7（d）为金相显微组织，图7（e）～7（h）为SEM照片，可以看出，随着均匀化时间的增加，枝晶结构明显消除.经过32 h时，由能谱分析仪（EDS）检测发现，Laves相基本消除溶入基体，只剩下少量的碳化物MC.同时，与未进行均匀化处理样品中的碳化物MC相比，碳化物的形貌和位置均发生明显变化.MC从棱角分明的块状变为颗粒状，尺寸变小，偏聚于晶界.显然，均匀化过程中碳化物的形态转变有利于提高GH 3625合金的热加工性能.

图7 GH 3625合金在1 130℃不同时间均匀化处理后的金相照片（a～d）和SEM照片（e～h）Fig.7 Metallograph（a～d）and SEM photo（e～f）of GH 3625 alloy at 1 130℃ of different homogenization time：（a）（e）4 h；（b）（f）8 h；（c）（g）16 h；（d）（h）32 h

采用EDS能谱分析仪对1 130℃下均匀化处理不同时间的试样进行微区成分检测.为减小误差，采用多区域测量取平均值，并计算偏析系数K，如图8所示.均匀化32 h后，主要偏析系数变为：KNb＝1.02，KMo＝1.01，KTi＝1.03，KCr＝0.98，KAl＝1.04，由此可知枝晶间偏析元素扩散均匀.

图8 均匀化过程中偏析系数K值变化Fig.8 Change of K value when homogenized at 1 130℃

采用Image⁃Pro Plus软件对GH 3625合金在1 130℃下不同时间均匀化处理后的偏析相进行统计，通过定量分析得到均匀化过程中Laves相体积分数的变化如图9所示.

图9 GH 3625合金在1 130℃下随均匀化处理时间变化的均匀化动力学Fig.9 Kinetics of GH 3625 alloy homogenized at 1 130℃with time⁃varying

由图9可知，该曲线呈明显的指数函数特征，线性拟合后的关系为

式中：t为均匀化时间，h，当t＝0时（未均匀化），Laves相的体积分数为3.35%；Kt定义为Laves相的回溶系数，其值随均匀化温度的改变而改变，1 130℃时，Kt为0.163 1.通过偏析系数的变化以及均匀化动力学线性拟合曲线可知，GH 3625合金铸锭在1 300℃处理32 h后，基本可以消除元素显微偏析，使得低熔点相回溶.

3 结 论

1）均匀化处理前GH 3625合金存在明显的枝晶组织.GH 3625合金电渣锭存在富Nb、Cr、Mo、Al等元素的Laves相以及少量的碳化物MC.Nb、Mo、Ti、Al等元素在枝晶间富集，Cr在枝晶干富集.不同元素的偏析程度为Nb＞Mo＞Ti＞Al＞Cr.

2）均匀化处理后，枝晶间偏析相逐渐减少，碳化物由块状变为颗粒状.均匀化处理制度为1 130℃× 32 h时，枝晶组织逐渐消除，Laves相回溶.

［1］EVANS N D，MAZIASZ P J，SHINGLEDECKER J P.Micro⁃structure evolution of alloy 625 foil and sheet during creep at 750℃［J］.Materials Science and En⁃gineering A，2008，498（1/2）：412－420.

［2］RODRIGUEZ R，HAYES R W，BERBON P B.Ten⁃sile and creep behavior of cryomilled Inconel 625［J］.Acta Materialia，2003，51（4）：911－929.

［3］MATHEW M D，RAO K B S，MANNAN S L.Creep properties of service⁃exposed Alloy 625 after re⁃solu⁃tion annealing treatment［J］.Materials Science and Engineering A，2004，372（1/2）：327－333.

［4］DINDA G P，DASGUPTA A K，MAZUMDER J.Laser aided direct metal deposition of Inconel 625 superal⁃loy：microstructural evolution and thermal stability［J］.Materials Science and Engineering A，2009，509（1/2）：98－104.

［5］NARUTAKI N，YAMANE Y，HAYASHI K.High⁃speed machining of Inconel 718 with ceramic tools［J］.Manufacturing Technology，1993（42）：103－106.

［6］ZHONG Z，RAMESH K，YEO S H.Grinding of nickel based superalloys and advanced ceramics［J］.Mater Manuf Process，2001，16（2）：195.

［7］YAMANE Y，AMANO N，HAYASHI K.High speed machining of Inconel 718 with ceramic tools［J］.J Jpn Soc Precision Eng，1995，59（11）：65

［8］张红斌.国外Inconel 625合金的进展［J］.特钢技术，2000（3）：69－80.ZHANG Hongbin.Inconel 625 alloy progress abroad［J］.Special Steel Technology，2000（3）：69－80.

［9］MITTRA J，DUBEY J S，BANERJEE S.Acoustic emission technique used for derecting early stages of precipitation during aging of Inconel 625［J］.Scripta Materialia，2003（49）：1209－1214.

［10］仲增墉，庄景云.变形高温合金生产工艺过程中的几个重要的问题的研究与进展［J］.钢铁研究学报，2003，15（7）：1－9.ZHONG Zengyun，ZHUANG Jingyun.Developof several important problems on producing technologies of wrought superalloy［J］.Journal of Iron and Steel Research，2003，15（7）：1－9.

［11］JONES R M F，JACKMAN L A.The structural evolu⁃tion of superalloy ingots during hot working［J］.Jour⁃nal of the Minerals，Metals and Materials Society，1999，51（1）：27－31.

［12］田玉亮，王玲，董建新，等.GH742铸锭偏析及均匀化过程中元素分布规律［J］.稀有金属材料与工程，2006，35（8）：1315－1318.TIAN Yuliang，WANG Lin，DONG Jianxin，et al.Mi⁃crosegregation of GH742 ingot and the element distri⁃bution during homogenizing treat⁃ment［J］.Rare Metal Materials and Engineering，2006，35（8）：1315－1318.

［13］邓群，杜金辉，庄景云，等.GH742y合金的铸态组织及铸态偏析的改善［J］.钢铁研究学报，2003，19（5）：90－93.DENG Qun，DU Jinhui，ZHUANG Jingyun，et al.As⁃cast microstructure and segregation improvement of alloy GH742y［J］.Journal of Iron and Steel Research，2003，19（5）：90－93.

［14］杜金辉，曲敬龙，邓群，等.GH720Li合金的铸态组织和均匀化工艺［J］.钢铁研究学报，2005，17（3）：60－64.DU Jinhui，QU Jinlong，DENG Qun，et al.As⁃cast microstructure and homogenization process of alloy GH720Li［J］.Journal of Iron and Steel Research，2005，17（3）：60－64.

［15］李正栋，张国庆，赵宇新.IN783合金均匀化处理工艺研究［J］.航空材料学报，2006，26（3）：295－296.LI Zhengdong，ZHANG Guoqin，ZHAO Yuxin.Hom⁃ogenization treatment of superalloy in783［J］.Journal of Aeronautical Materials，2006，26（3）：295－296.

［16］JABLONSKI P D，COWEN C J.Homogenizing a nick⁃el⁃based superalloy：thermodynamic and kinetic simula⁃tion and experimental results［J］.Metallurgical and Materials Transactions B，2009，40（2）：182－186.

［17］董建新，张麦仓，曾燕屏.含铌高温合金液相中铌偏聚行为［J］.北京科技大学学报，2005，27（2）：197－198.DONG Jianxin，ZHANG Maicang，ZENG Yan ping.Calculation of Nb segregation behavior in liquid phase for Nb⁃rich superalloys［J］.Journal of University of Science and Technology Beijing，2005，27（2）：197－198.

（编辑 程利冬）

Microsegregation and homogenization of GH 3625 alloy ingot

DING Yutian，LI Haifeng，WANG Wei，LIU Jianjun，GUO Tingbiao，HU Yong

（State Key Laboratory of Advanced Processing and Recycling of Nonferrous Metals（Lanzhou University of Technology），Lanzhou 730050，China）

To eliminate the micro⁃segregation，improve the hot workability，and establish the uniform dynamics，and formulate the homogenization schedule of cast GH3625 alloy，microstructure and element segregation of as cast GH 3625 alloy after vacuum induction melting（VIM）and electroslag remelting（ESR）was studied by means of Image⁃Pro Plus，scanning electron microscopy（SEM）and energy dispersive spectroscopy（EDS）.Cast GH 3625 alloy was homogenized at different temperatures or different time.The results show that GH 3625 alloy exhibits dendritic segregation，in which Nb and Mo are mainly segregation elements，and they formed Nb⁃rich Laves phase and MC carbides.The elements displayed different segregation degree as the following sequence：Nb＞Mo＞Ti＞Al＞Cr.Nb，Mo，Ti，and Al are largely enrichedenriched in the inter⁃dendrite，resulting in the precipitation of Laves and other non⁃equilibrium phases.The elements diffused more evenly during homogenization，as the homogenization temperature increases or the time prolongs.The element segregation of the GH 3625 alloyalmost eliminated after homogenization treatment at 1 130℃for 32 h.Laves phase volume fraction and the homogenization time obey the following exponential function relation：V1130℃＝0.033 5exp（－0.163 1t）.

GH 3625 alloy；micro⁃segregation；homogenization；Laves phase；carbide

TG142.71

A

1005－0299（2016）06－0014－06

2016－03－08.

国家自然科学基金项目（51661019）；甘肃省重大科技专项项目（145RTSA004）.

丁雨田（1962—），男，教授，博士生导师.

李海峰，E⁃mail：xfcytg＠163.com.

10.11951/j.issn.1005－0299.20160603