固溶处理对K447A高温合金碳化物组织的影响

2022-06-29吴文津李相辉李雪辰陈晶阳

金属热处理 2022年6期

吴文津，李相辉，李雪辰，陈晶阳，汤鑫

（1.北京航空材料研究院先进高温结构材料重点实验室，北京 100095；2.中国人民解放军陆军装备部驻沈阳地区军事代表局驻沈阳地区第三军代室，辽宁沈阳 110031）

K447A合金是一种高强度铸造镍基高温合金，其中温、高温性能优异，同时具有优良的抗氧化性能、耐热腐蚀性能和良好的铸造性能，广泛应用于航空发动机及燃气轮机1000℃以下工作的涡轮转子叶片和整体叶盘，以及1050℃以下工作的导向叶片、整体导向器和其它结构件。

K447A合金中碳元素含量（质量分数）为0.15%左右，碳化物是其组织中最重要的合金相之一，其特征对该合金的性能有重要影响，通过调整凝固及热处理参数获得最有利于提高合金使用性能的碳化物显微组织非常必要。针对碳化物的组织演变及其对合金性能的影响，国内外研究学者已经开展了广泛的研究[1-2]。Tin等[3]的研究证实铸造高温合金中初生碳化物一般在合金凝固过程的中后期于枝晶间区域形成，初生MC碳化物形貌、尺寸、数量、分布、成分及生长机理由合金的凝固工艺及化学成分决定[4-6]。杨金侠等[7]对K465合金和K492合金的研究工作则为碳化物形貌对合金力学性能的影响提供了支撑。初生碳化物的形貌、成分及分布特征经过固溶或长期时效会发生改变。蔡玉林等[8]研究表明，合金经过固溶处理或长期时效后初生MC碳化物会发生形式为MC+γ→M6C+γ′以及MC+γ→M23C6+γ′的分解反应。孙文等[9]基于对铸造高温合金长期时效前后初生碳化物组织演变及成分变化，提出了初生MC碳化物退化反应的形式和机理。本文以K447A等轴晶高温合金为研究对象，重点研究了固溶温度和时间对合金碳化物组织的影响，研究成果可为改进合金热处理制度、优化合金显微组织、改善合金力学性能提供理论依据。

1 试验材料与方法

采用熔模精密铸造法在25 kg真空感应熔炼炉中重熔浇注K447A合金等轴晶哑铃型试棒壳型预热温度1000℃，浇注温度1460℃，浇注重量为8 kg，哑铃型试棒中间部位直径φ7 mm，两端直径φ16 mm，长度约70 mm。K447A合金的化学成分（质量分数，%）为9.0Co、8.0Cr、9.5W、0.5Mo、5.3Al、2.8Ta、0.9Ti、1.2Hf、0.13C、0.01B、0.03Zr，余量Ni。试样的固溶和时效处理均在DC-B/16型非真空箱式热处理炉中进行，热处理工艺见表1。

表1 热处理工艺Table 1 Heat treatment processes

热处理后的试样经研磨抛光后在HCl:H2O2为5:1（体积比）的腐蚀剂中腐蚀2 min，采用ZEISS SUPRA 55型场发射扫描电镜（SEM）观察合金显微组织，采用扫描电镜的背散射模式（BSD）观察碳化物的分布情况，采用扫描电镜的二次电子模式（SE2）观察碳化物形貌特征，采用扫描电镜附带的能谱分析仪（EDS）分析相成分。

2 试验结果与讨论

2.1 铸态组织

图1为铸态K447A合金中初生碳化物的显微组织及三维形貌。图1（a）为铸态合金的组织，其中呈块状、骨架状和汉字状的亮白色区域为铸态初生碳化物。表2为铸态和热处理态试验合金初生碳化物的成分，可知铸态初生碳化物富含Ti、Ta、W、Hf等元素，根据成分特征推断初生碳化物为MC（M=Ti、Ta、W、Hf）碳化物。由图1（a，b）可知，铸态初生MC碳化物一般分布于枝晶间，也有一部分分布于晶界上。图1（c～e）分别为块状、骨架状和汉字状3种不同形貌初生碳化物的三维结构。刘林等[6]研究指出决定合金中MC碳化物生长特性的主要因素是合金的凝固组织形态和枝晶间的微观偏析，随着凝固过程中冷却速率的提高，凝固界面由平面状向胞状再向树枝状界面转化，MC碳化物的形貌也随之由块状八面体转化为长条状或鱼骨状，最终转化为发达的汉字状。蔡玉林等[8]对K9合金的研究指出，Zr和Hf等合金元素含量也会对初生MC碳化物的形貌产生影响，当合金中含有少量Zr时（0.1%，质量分数，下同），MC碳化物呈骨架状，随着Zr含量增加，MC碳化物的形貌逐渐转化为点条状，进而转化为质点状。本文中K447A合金采用等轴晶铸造工艺制备，凝固冷却速率快，凝固组织为典型的树枝晶。同时，K447A合金中含有0.03%的Zr以及1.2%的Hf，综上所述，受凝固过程中固有的偏析及合金元素两方面因素影响，铸态K447A合金中初生MC碳化物同时存在块状、骨架状和汉字状3种典型形态。

图1 铸态K447A合金中初生碳化物的显微组织（a，b）及三维形貌（c～e）Fig.1 Microstructure（a，b）and three-dimensional morphologies（c-e）of primary carbides in the as-cast K447A alloy

表2 热处理前后K447A合金中初生碳化物的化学组成（原子分数，%）Table 2 Chemical composition of primary carbides in the K447A alloy before and after heat treatment（atom fraction，%）

2.2 热处理态组织

图2为热处理后晶粒内部和晶界区域初生碳化物的典型微观形貌。由图2发现，经过不同制度的热处理后，无论是晶粒内部，还是晶界上的初生碳化物的组织形貌均有两个共同之处：其一，初生碳化物经过热处理后，大多呈破碎状。其二，初生碳化物周围被一层γ′相包覆。通过表2对比热处理前后初生碳化物成分可知，热处理使初生碳化物成分发生了变化[10-11]。热处理后的合金初生MC碳化物均发生了Hf富集，Ti、Ta、W含量均出现不同程度的下降。这与不同类型MC碳化物的稳定性有关，根据热力学规律，各类MC碳化物的稳定性次序为HfC、ZrC、TaC、NbC、TiC和VC[8]。据此推测在热处理过程中TaC、TiC、WC等类型的碳化物发生一定程度的分解，而最稳定的HfC型碳化物受影响程度最小。

图2 经热处理后K447A合金晶内（a）和晶界（b）中初生碳化物的典型形貌Fig.2 Typical morphologies of primary carbides in intragranular（a）and grain boundary（b）in the K447A alloy after heat treatment

对K447A合金进行3种热处理制度处理后的显微组织如图3所示。与铸态组织相比，明显的区别在于，热处理后合金枝晶间区域析出了如图3（d）所示的大量细小弥散分布的碳化物，二次析出碳化物的尺寸一般不超过5μm，多分布于枝晶间和残余共晶处[8，12]，其分布特征如图3（a～c）所示，图中深色衬底区域中弥散分布的白色细小颗粒即为二次析出的碳化物。采用EDS对其成分进行分析，3种热处理制度的二次析出碳化物成分相似，结果如表3所示，可以看出热处理后枝晶间细小弥散状碳化物富含Hf元素，同时也有一定量的Ta、Zr、W、Ti等元素，根据成分特征推断其为MC（M=Hf、Ta、Zr、W、Ti）型。由图3（a～c）可知，H2中二次析出碳化物数量最多，H3次之，H1最少。

图3 K447A合金经不同固溶+相同时效后的显微组织（a～c）及二次析出碳化物形貌（d）Fig.3 Microstructure（a-c）and morphology of secondary precipitated carbides（d）in the K447A alloy after different solution treatments and same aging

表3 热处理后K447A合金中二次析出碳化物的化学成分（原子分数，%）Table 3 Chemical composition of secondary precipitated carbides in the K447A alloy after heat treatment（atom fraction，%）

在镍基高温合金的使用和热暴露过程中，含有Hf、Zr、Nb元素的合金可通过基体与金属间化合物相的反应沉淀析出二次MC，如式（1）所示[8]：

本研究中热处理后合金枝晶间和残余共晶区域析出的以HfC为主的细小弥散的颗粒状MC属于这种二次MC析出反应。二次MC碳化物析出现象本质上是由元素扩散主导的固态相变过程，温度是影响元素扩散的主要因素，从扩散系数的表达式（ln D=ln D0-Q/RT）可得知温度越高，元素的扩散系数越大，这为H3的二次析出MC数量多于H1提供了理论依据。同时，充足的扩散时间是获得大量二次析出MC的必要条件，热处理制度为H2时，固溶保温时间是H1和H3的2倍，合金凝固时偏析于枝晶间的Ta、Ti和Hf等元素与固溶于γ基体中的C元素得以充分扩散和反应。根据文献研究[8]，这种细小弥散的二次析出MC碳化物相非常稳定，加热至较高温度也不溶解，有很大的时效强化作用，它的存在可抑制其他相在时效和使用过程中的过量析出，避免合金在使用过程中变脆。