氮化物含量对K4169合金组织与性能的影响①

王颜臣， 李华兵

(江苏隆达超合金航材有限公司， 江苏 无锡 214104)

引 言

铸造镍基高温合金可固溶多种合金元素，拥有优异的耐热腐蚀性和良好的力学性能，在多个工业领域中，尤其是在航空工业中，有着广泛应用[1]。在种类繁多的镍基高温合金中，K4169高温合金的应用范围尤其广泛。K4169高温合金是一种以Ni-Fe-Cr三种元素为主要元素的铸造高温合金。由于K4169高温合金可析出纳米级的γ″和γ′相，并含有大量的Cr元素，因此在700 ℃时仍能保持较高的强度和良好的耐热腐蚀性[2]。基于上述优异的性能，K4169高温合金的铸件产品经常被用作飞机发动机叶片、高速螺旋桨、高温螺钉和紧固件等[3]。

使用K4169高温合金制备的零件其工作环境往往是高温、高压等极端条件，并且不断承受着交变载荷的作用[4]。由于使用条件极其严酷，因此K4169的力学性能对其组织有着极高的敏感性，微量脆性相的存在都有可能严重影响K4169合金的性能。因为K4169高温合金要在高真空的条件下熔炼制备，由于熔炼工艺及原材料的原因，制备过程中不可避免的要带入一些氮元素，在合金中形成氮化物。关于氮化物对K4169力学性能的作用现在还存在争议。一些学者认为高温合金中的氮化物是夹杂，会引起微裂纹的萌生，影响材料的性能；也有学者研究发现氮化物可在一定程度上改善合金组织[5]。因此，本文从氮化物含量的成分设计入手，通过设计两种不同氮化物含量的K4169高温合金来研究氮化物含量对合金力学性能的影响。

1 实验过程

1.1 化学成分设计及生产

设计了两种化学成分的K4169高温合金，用于研究氮化物对K4169高温合金室温拉伸性能的影响，其中氮化物的含量有明显的不同，分别为0.02%和2%；两种合金分别编号为K1和K2。除了Ti元素和N元素含量不同外，其他元素的化学成分都保持一致，各元素含量的具体数值如表1所示。两种材料均在中频感应炉中熔炼，熔炼温度为1600 ℃，真空环境。精炼结束降温至1520 ℃，浇入陶瓷模壳中，随炉冷却。材料的热处理工艺为1095 ℃， 1 h/AC + 960 ℃, 1 h/AC + 720 ℃, 8 h/FC (50 ℃/h) to 620 ℃ + 620 ℃, 8 h/AC。两种材料的熔炼制备及热处理工艺等都保持一致。

表1 K4169高温合金设计化学成分/%

1.2 试验方法

两种试验材料的取样和制样过程均严格按照GB/T 228-2002标准执行。拉伸试样尺寸具体如图1所示。每种合金取5个拉伸棒，性能数据取平均值。

图1 拉伸试棒尺寸

采用OLYMPUS金相显微镜观察了材料的金相组织。采用装备能谱分析的Jeol 7600扫描电子显微镜观察了材料的显微组织并给出了能谱分析。使用Zwick Amsler公司的100HFT 5100拉伸试验机测试了材料的室温拉伸性能，拉伸速率为0.001 s-1。

2 试验结果

2.1 组织

2.1.1 金相组织观察

图2(a)是K1合金的金相组织，照片中存在大片明显的黑色针状相和针状相包围的一些岛状的Laves相，另有一些碳化物弥散分布在基体内，这些相将在下文中通过EDS进行进一步确定。由图2(b)可知，由于氮化物的引入，K2合金的金相组织相较于K1发生了明显的变化。K1合金中含有大量的针状δ相和岛状的Laves相，然而K2合金中则几乎没有针状δ相和岛状的Laves相。同时，在金色的氮化物旁边，也有一些碳化物析出。

图2 合金热处理态金相组织

图3 合金热处理态显微组织

2.1.2 扫描组织观察

为了进一步鉴定K1合金和K2合金中的相组成，扫描电子显微镜观察结合EDS能谱分析被应用到材料观察中。图3是K1, K2合金的显微组织，从图3 (a)中可发现，与金相组织相类似，K1合金中存在着较多的针状相和岛状的相。对K1合金的待确定相进行EDS能谱分析，结果如图4和图5所示，可以确定岛状相为Laves相，针状相为δ相。对K2合金中的相进行能谱分析，可以确定SEM照片中黑色的颗粒相为含Ti的氮化物相，如图6所示；K2合金中白色的颗粒相为碳化物相，如图7所示。

图4 K1合金中Laves相及Laves相的能谱分析

图5 K1合金中δ相及δ相的能谱分析

图6 K2合金中氮化物及氮化物的能谱分析

图7 K2合金中碳化物及碳化物的能谱分析

2.2 力学性能

表2中列出了K1, K2合金在室温下的屈服强度、抗拉强度、伸长率和断面收缩率。K2的室温抗拉强度和屈服强度分别为1244 MPa 和1149 MPa，K1的室温抗拉强度和屈服强度分别为1100 MPa 和935 MPa；相比于K1合金，K2合金的抗拉强度提高了13%，屈服强度提高了22%。对比两者的伸长率可发现，K2合金6.7%的伸长率相较于K1合金的14.3%有较大幅度的下降。从拉伸性能上看，K2合金的屈服强度和抗拉强度皆有所上升，但是伸长率和断面收缩率有所下降。

表2 两种合金的室温力学性能

3 分析与讨论

为了深入分析氮化物对材料室温力学性能的影响，对两种氮化物含量不同的合金进行了断口微观组织分析，结果如图8所示。由图8可知，K1合金的拉伸断口上布满了均匀分布的韧窝和拉伸撕裂脊， 韧窝的尺寸大多在10 μm以上；K2合金的拉伸断口上也布满了大量的韧窝和撕裂脊，但是韧窝的尺寸较小，大约只有3～5 μm左右，并且深度也不如K1韧窝的深。K1和K2两种合金的断口形貌相似，都由韧窝和撕裂脊组成，由此可知，二者的断裂方式都是韧性穿晶断裂。K2合金中更小、更浅的韧窝表明K2合金在断裂之前发生的塑性变形较小，表现在宏观性能上为合金的伸长率较低。较小的塑性变形能力是由于硬脆的氮化物存在，使得K2合金在拉伸载荷下容易于氮化物周围形成微裂纹，引起材料的断裂。

图8 两种合金的拉伸断口形貌

4 结束语

在K4169高温合金中，当氮化物含量增加到2%时，材料中的有害相δ相和Laves相明显减少，合金的室温拉伸强度显著提高。但同时由于氮化物含量的提高，合金在拉伸载荷下容易在氮化物处形成微裂纹引起材料断裂，造成合金的伸长率和断面收缩率下降。