GH4169合金中laves相初熔温度与升温速率关系研究

寇金凤 聂义宏 白亚冠 张 鑫

(天津重型装备工程研究有限公司，天津300457)

GH4169镍基高温合金在650℃以下使用时表现出优异的屈服强度和蠕变强度、较高的塑性和韧性、良好的耐腐蚀和抗氧化性，因而在航空发动机上用量很大，例如转动部件的压气机叶片、涡轮盘、鼓筒轴，非转动部件的机匣、紧固件、扩压器等[1-2]。

GH4169镍基合金中的Nb元素含量在5%以上，导致合金锭很容易在凝固过程中产生成分偏析，析出大量富含Nb元素的Laves相，见图1。Laves相的存在会造成GH4169镍基合金的塑性下降，同时低熔点Laves相的存在还会提高GH4169合金热处理加工的难度[3]。均匀化工艺选取不当，还会在较低温度下发生初熔，形成孔洞。合适的均匀化处理可使合金基体中的Nb在Laves相回溶的过程中得到充分的扩散，使laves相逐渐回溶到基体中，而不发生初熔[4]。本文通过共聚焦激光扫描显微镜(CLSM)动态原位地观察了GH4169合金在不同升温速率下laves相的初熔过程，得出了一级均匀化过程中适宜的升温速率范围，为工业生产提供科学参考。

图1 GH4169自耗锭laves相偏析Figure 1 Laves phase segregation ofGH4169 consumable ingot

表1 GH4169合金化学成分(质量分数，%)Table 1 Chemical composition of GH4169 alloy(mass fraction,%)

1 试验材料及方法

研究的GH4169镍基合金材料来自VIM+VAR真空感应熔炼+真空自耗熔炼工艺得到的2.5 t自耗锭。直径约475 mm，长1840 mm，该合金化学成分见表1。在自耗锭冒口端切取200 mm厚的盘片，从盘片截面上切取∅6.5 mm×3.5 mm的圆柱形高温金相试样进行铸态组织分析和凝固规律研究，取样部位为盘片中心。将试样进行打磨、抛光，并用硫酸铜腐蚀液进行浅腐蚀，腐蚀状态以能观察到laves相为准。

试样以不同的速率(1℃/min、2℃/min、5℃/min、10℃/min、20℃/min、50℃/min)升温至1200℃，利用共聚焦激光扫描显微镜动态原位地观察试样中laves相的初熔情况。

2 结果与讨论

CLSM样品经多道次磨抛后放入氧化铝坩埚并放置在CLSM金相加热炉内。炉内抽真空后，通氩气(99.999%)流保护，以防止样品表面氧化。样品在加热过程中发生的熔化现象如图2所示。由于采用的样品为抛光态，从图2(a)中能发现当温度为950℃时合金并未熔化，白色颗粒为原铸态组织中的laves相。以1℃/min的速率升温至1135℃时，Laves相发生初熔，在试样表面能清晰地看到熔池的存在；温度进一步升高，在laves相富集的地方普遍出现熔池，所有的laves相都发生熔化。升温速率为2℃/min时，当温度升至1140℃时在laves相边缘出现熔池，见图2(b)；升温速率为5℃/min时，当温度升至1170℃时，在laves相边缘出现熔池，见图2(c)；升温速率为10℃/min时，当温度升至1175℃时，在laves相边缘出现熔池，见图2(d)；升温速率为20℃/min时，当温度升至1150℃时，在laves相边缘出现熔池，见图2(e)；升温速率为50℃/min时，当温度升至1095℃时，在laves相边缘出现熔池，见图2(f)。laves相的初熔温度点随升温速率的关系曲线见图3，呈现先升后降的趋势。

图3 初熔温度与加热速率的关系图Figure 3 The relationship between the initial melting temperature and the heating rate

通过一系列不同升温速率的结果可以看出：

(1)以很慢的速率升温时，由于时间的作用，laves相中的易偏析元素进行了局部扩散，laves相周围存在复杂的共晶相组织，初熔点较低；

(2)适当加快升温速率，元素来不及扩散，初熔点为纯的laves相的熔点；

(3)升温速率继续加快，laves相短时快速升温，由于该相与基体热导率不同，大量聚焦在laves相上的热量致使其快速融化，表现为初熔点降低。

(4)升温速率不能太慢，也不能太快，只有保持在一定的区间范围内，laves相的初熔温度点才是比较高的。

3 结论

一级均匀化处理过程中，laves相在5～10℃/min的升温速率下初熔温度最高，当升温速率低于或高于这个范围，初熔温度都会降低，可能导致在一级均匀化升温过程中laves相发生初熔，形成孔洞，从而对后面的热变形过程产生不利影响。