一种铸造镍基高温合金的显微组织和冲击性能

2021-07-02周丽逯红果马中钢刘洪平殷凤仕李道乾

山东理工大学学报（自然科学版） 2021年6期

周丽，逯红果，马中钢，刘洪平，殷凤仕，李道乾

(1.山东理工大学化学化工学院, 山东淄博 255049; 2.山东瑞泰新材料科技有限公司，山东淄博256100;3.山东理工大学机械工程学院, 山东淄博 255049 )

K4648是高铬铸造镍基高温合金，主要应用于制造900 ℃以下要求抗氧化能力很强的先进燃气涡扇发动机的扩压器、燃烧室和矢量喷口等航空材料部件，基体显微组织由α-Cr、γ'、MC型碳化物、M23C6型碳化物和硼化物组成[1]。K4648合金中铬质量分数高达32%～35%时，析出相出现α-Cr，而关于α-Cr相析出对K4648合金力学性能的影响，相关学者作了大量的研究[2～8]。王改莲等[2]研究了中温长期时效处理后α-Cr析出相对合金冲击性能的影响；董建新等[3-4]研究了不同Cr含量的K4648合金中α-Cr相的析出行为和存在方式；郑亮等[5-6]研究了不同热处理方式及凝固方式对α-Cr相分布和析出的影响；史世凤等[7-8]研究了不同C、Cr 含量对K4648组织和力学性能的影响及不同形态的α-Cr相对合金性能的影响。然而，在实际生产过程中，采用真空感应熔炼炉制备冲击试棒时，常常出现冲击吸收功低的现象。本文对K4648合金冲击吸收功低的原因进行了研究，为后续的生产提供理论支持。

1 实验材料及方法

采用20 kg真空感应炉重熔K4648母合金锭，浇注成φ22～25 mm指型试棒(图1)，浇注温度为1 480 ℃。试验K4648母合金的化学成分见表1。试棒经1 180 ℃×4 h空冷固溶处理+900 ℃×16 h空冷时效处理后加工成标准V型冲击试样。采用JBS-300B 型冲击试验机上测试冲击吸收功。采用金相显微镜和FEI Quanta 250型扫描电子显微镜分析热处理后的显微组织，金相试样采用15% (体积分数)硫酸-甲醇溶液电解腐蚀。

表1 K4648母合金的主要化学成分(质量分数/%)

图1 指型模壳照片

2 试验结果与分析

2.1 显微组织

图2为K4648合金金相照片。由图2可以看出，在晶界和枝晶间分布着呈链条状分布的较大尺寸(约10 μm)颗粒状初生α-Cr相[5]。

(a) 低倍

图3为K4648合金扫描电镜照片及大尺寸颗粒的能谱分析结果。由图3可以看出，除呈链状分布的较大尺寸颗粒状初生α-Cr相外，在ϒ镍基体上析出了大量捆编织针状α-Cr组织和细小颗粒状M23C6型碳化物[5-6]。初生α-Cr相的能谱分析结果显示成分主要是Cr，另外还有W、Mo和Ni。

(a)二次电子像 (b) 背散射电子像 (c) 箭头所指颗粒能谱分析结果

2.2 冲击性能

根据行业标准Q/S10-0215—2004要求，K4648合金经热处理后冲击吸收功>20 J，而试验K4648合金经热处理后两次冲击试样的冲击吸收功仅为11 J和12 J，远低于该合金的标准要求(大于20 J)。

2.3 断口分析

图4为试验K4648合金冲击试样断口扫描电镜照片。低倍照片显示断裂是沿枝晶间断裂的，从高倍照片可以看出断口表面存在大量的断裂的块状组织，尺寸与分布在枝晶间的链状α-Cr相一致。能谱也显示这些断裂的块状组织组成主要是Cr。

3 讨论

K4648合金铸态组织主要存在γ基体、初生α-Cr相、MC型碳化物[5]。固溶处理过程中，MC型碳化物溶解，析出细小颗粒状的M23C6型碳化物，部分初生大块α相直接转变为带有棱角的M23C6碳化物，时效处理过程中基体析出捆编织针状次生α-Cr相[6]。从图2和3以及能谱分析结果可以看出，分布在晶界和枝晶间的链状较大颗粒尺寸析出相是α-Cr相,基体中分布的捆编织针状析出相主要为α-Cr相[6-9]。本试验K4648合金的试样冲击吸收功小于20 J，不满足要求。研究表明[8]：α-Cr析出相的形态、分布和大小对合金的冲击性能影响较大。从冲击断口(图4)形貌可以看出，断口表面存在大量断裂了的大块状初生α-Cr相。分布在枝晶间的链状初生α-Cr相是导致冲击吸收功的主要原因。影响α-Cr相析出的主要因素是凝固速度[5]。大截面尺寸的试样由于凝固时冷却速度较慢，显微偏析更为严重，析出的初生α-Cr相量多。根据本文试验可知，浇注冲击试样采用的是指型模壳(图1)，直径较大，凝固速度较慢，易析出大尺寸的初生α-Cr相。因此，在要求采用指型模壳浇注冲击试样时，必须调整铸造工艺和控制其冷却速度[10]，以减轻偏析，避免造成链状初生α-Cr相的析出。