圖 1拉伸試樣與持久試樣的形狀和尺寸
Figure 1.Shape and size of tensile sample (a) and endurance sample (b)
0. 引言
隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)推重比不斷提高，渦輪葉片服役溫度越來(lái)越高，這對(duì)葉片材料的綜合性能，尤其是高溫性能提出了更高要求[1-2]。鎳基鑄造高溫合金是葉片材料的一種，其成分復(fù)雜，添加的微量元素主要起到晶界強(qiáng)化和晶界凈化作用[3-4]。鋯元素作為鑄造高溫合金重要的晶界強(qiáng)化微量元素，在各類(lèi)牌號(hào)高溫合金中均得到廣泛應(yīng)用，有關(guān)其在高溫合金中作用機(jī)理的研究工作也已開(kāi)展較多。李亞敏等[5]研究發(fā)現(xiàn)，添加鋯可促進(jìn)K4169合金中鈮、鉬、鈦元素偏析，增加碳化物數(shù)量，提高Laves相初熔溫度，降低合金熔點(diǎn)；楊道敏等[6]研究發(fā)現(xiàn)，鋯元素可以改善高溫合金的鑄造性能，減小鑄件的熱裂傾向；CHEN等[7]和HUANG等[8]研究發(fā)現(xiàn)，鋯元素可限制高溫合金中的碳化物由MC向M23C6轉(zhuǎn)變，穩(wěn)定MC碳化物和基體界面；周鵬杰等[9]研究發(fā)現(xiàn)，隨著鋯含量的增加，M951合金的碳化物形貌由片狀或針狀向塊狀轉(zhuǎn)變，晶粒內(nèi)骨架狀碳化物減少，晶界上碳化物增多，導(dǎo)致合金拉伸性能略有提高，持久斷裂時(shí)間先延長(zhǎng)后縮短；周陽(yáng)等[10]研究發(fā)現(xiàn)，K417合金中添加鋯后，組織中共晶相含量和顯微疏松數(shù)量增加，持久斷裂時(shí)間先延長(zhǎng)后縮短。可見(jiàn)，鋯元素會(huì)對(duì)高溫合金的凝固特性、顯微組織及鑄造性能產(chǎn)生影響，從而影響高溫合金的力學(xué)性能。
K465合金是在俄羅斯ЖС6У合金[11]基礎(chǔ)上研制的一種合金化程度較高的鎳基鑄造高溫合金，其鎢、鉬、鈮等難熔元素含量高，具有優(yōu)異的高溫蠕變性能、高溫疲勞性能和高承溫能力，適用于制備航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片、渦輪導(dǎo)向葉片及其他高溫結(jié)構(gòu)件，在航空領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[12-14]。目前，尚未見(jiàn)有關(guān)鋯元素對(duì)K465高溫合金顯微組織和力學(xué)性能影響的研究報(bào)道。因此，作者采用真空感應(yīng)爐制備了添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)鋯的K465鎳基高溫合金，并對(duì)其進(jìn)行1210℃×4h的熱處理，研究了鋯添加量對(duì)合金顯微組織和性能的影響，以期為K465合金中鋯含量的控制提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。
1. 試樣制備與試驗(yàn)方法
試驗(yàn)材料為K465鎳基鑄造高溫合金，由DB-VLM50B型50kg真空感應(yīng)爐制備得到，其化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）為10.0Co，8.9Cr，1.62Mo，10.0W，5.40Al，2.60Ti，1.00Nb，0.17C，0.02B，余Ni。按照鋯的添加量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）分別為0，0.005%，0.025%，0.050%稱(chēng)取純鋯和K465合金，采用ZG/0.025型25kg真空感應(yīng)爐熔煉合金錠，并將其重熔后通過(guò)普通燈籠模殼澆注得到合金試棒，對(duì)試棒進(jìn)行1210℃保溫4h空冷的熱處理。
在試驗(yàn)合金中間相同部位截取尺寸為?5mm×5mm的金相試樣，經(jīng)打磨、拋光后，采用組成為100mL HCl+20g CuSO4+5mL H2SO4+80mL H2O的溶液腐蝕，采用Sigam300型掃描電鏡（SEM）觀察微觀形貌，采用Ultim Max能譜分析儀（EDS）分析微區(qū)成分。采用Image J圖像處理軟件對(duì)碳化物、γ´相等的尺寸和面積進(jìn)行分析。采用STA-449C型同步熱分析儀（DSC）對(duì)試驗(yàn)合金的液/固相線溫度進(jìn)行分析，以15℃·min−1的速率由室溫（25℃）升溫至1450℃后降至室溫。根據(jù)GB/T 228.1—2021《金屬材料拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》，在試驗(yàn)合金上截取如1（a）所示的拉伸試樣，采用UTM5305X型拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，屈服前應(yīng)變速率為0.000083s−1，屈服后拉伸速度為3.6mm·min−1。根據(jù)GB/T 2039—2024《金屬材料 單軸拉伸蠕變?cè)囼?yàn)方法》，在試驗(yàn)合金上截取如1（b）所示的持久試樣，采用RD-50型高溫持久蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)進(jìn)行高溫持久試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為975℃，應(yīng)力為225 MPa。拉伸和持久試驗(yàn)各測(cè)3個(gè)平行試樣，取試驗(yàn)結(jié)果的平均值。采用Sigma300型掃描電鏡觀察持久斷口縱截面裂紋形貌。
2. 試驗(yàn)結(jié)果與討論
2.1 對(duì)顯微組織的影響
由圖2可以看出，不同鋯添加量試驗(yàn)合金中的碳化物包括塊狀、條狀和顆粒狀碳化物，顆粒狀和條狀碳化物主要分布于枝晶間，塊狀碳化物主要分布于枝晶干。由圖3可知：當(dāng)鋯添加量不大于0.025%時(shí)，隨鋯添加量增加，塊狀碳化物和條狀碳化物含量無(wú)明顯變化，顆粒狀碳化物含量先基本不變后升高；當(dāng)鋯添加量由0.025%增加至0.050%時(shí)，塊狀碳化物含量（面積分?jǐn)?shù)，下同）大幅增加，由0.1%升高至0.6%，條狀和顆粒狀碳化物含量大幅降低，其中條狀碳化物由0.3%降低至0.2%，顆粒狀碳化物由0.8%降低至0.4%。當(dāng)鋯添加量不大于0.025%時(shí)，原子尺寸較大的鋯進(jìn)入碳化物后，會(huì)造成晶格畸變，使得碳化物與基體之間的錯(cuò)配度增加，單位面積界面能增大，碳化物形核功增加，因此合金在凝固時(shí)更易形成尺寸較小的顆粒狀和條狀碳化物[9]。但當(dāng)鋯添加量增加到0.050%時(shí)，鋯在顆粒狀和條狀碳化物中達(dá)到飽和，更易形成塊狀碳化物。
圖 2不同鋯添加量試驗(yàn)合金的碳化物形貌
Figure 2.Carbide morphology of test alloy with different addition amounts of Zr
圖 3試驗(yàn)合金中不同形狀碳化物的面積分?jǐn)?shù)隨鋯添加量的變化曲線
Figure 3.Curves of area fraction of different-shaped carbides vs addition amounts of Zr in test alloy
以鋯添加量0.050%的試驗(yàn)合金為例進(jìn)行碳化物成分分析。由圖4可知，試驗(yàn)合金的碳化物含有鈦、鎢、鉬、鈮、鋯和碳元素，其中：塊狀碳化物為MC型碳化物，富含鎢和鈮元素；條狀碳化物和顆粒狀碳化物為M6C型碳化物[15-16]，富含鎢和鉬元素。塊狀碳化物中鋯原子分?jǐn)?shù)為0.40%，明顯高于條狀碳化物和顆粒狀碳化物中鋯原子分?jǐn)?shù)（0.20%和0.12%）。在熱處理過(guò)程中組織中的MC型碳化物分解為M6C型碳化物[15-16]，而鋯的添加抑制了高熔點(diǎn)元素鎢、鉬和鈮元素偏析以及MC型塊狀碳化物的分解，因此枝晶間高鎢和鉬含量的條狀和顆粒狀M6C型碳化物形成數(shù)量減少，塊狀MC型碳化物含量相對(duì)提高。
圖 4鋯添加量0.050%試驗(yàn)合金中不同形狀碳化物的EDS分析結(jié)果
Figure 4.EDS analysis results of different-shaped carbides in test alloy with Zr addition amount of 0.050%
由圖5可以看出，不同鋯添加量試驗(yàn)合金均存在γ/γ´共晶組織和顯微疏松，其中γ/γ´共晶組織呈光板狀，顯微疏松分布于共晶邊緣[17]。由圖6可以看出：當(dāng)鋯添加量不大于0.025%時(shí)，隨著鋯添加量的增加，γ/γ´共晶和顯微疏松含量無(wú)明顯變化，面積分?jǐn)?shù)分別為3.3%~3.8%，0.2%；當(dāng)鋯添加量繼續(xù)增加到0.050%時(shí)，γ/γ´共晶和顯微疏松面積分?jǐn)?shù)分別增加至5.8%和0.8%。
圖 5不同鋯添加量試驗(yàn)合金中γ/γ′共晶和顯微疏松的SEM形貌
Figure 5.SEM morphology of γ/γ′ eutectic (a, c, e, g) and microporosity (b, d, f, h) in test alloy with different addition amounts of Zr
圖 6試驗(yàn)合金中γ/γ′共晶和顯微疏松面積分?jǐn)?shù)隨鋯添加量的變化曲線
Figure 6.Curves of γ/γ′ eutectic and microporosity area fraction vs Zr addition amount in test alloy
為了進(jìn)一步分析鋯添加量對(duì)合金中共晶和顯微疏松含量的影響，對(duì)鋯添加量0.025%和0.050%試驗(yàn)合金分別進(jìn)行了液/固相線溫度測(cè)試。由圖7可以看出：當(dāng)鋯添加量為0.025%時(shí)，試驗(yàn)合金的液/固相線溫度分別為1358.2，1323.7℃，二者相差34.5℃；當(dāng)鋯添加量為0.050%時(shí)，液/固相線溫度分別為1356.8，1312.6℃，二者相差44.2℃。隨著鋯添加量的增加，合金液相線溫度差異不大，而固相線溫度降低較多，即合金的初熔溫度降低，液/固相線溫度差值增大，意味著在凝固過(guò)程中合金糊狀區(qū)的溫度范圍增大，凝固時(shí)間延長(zhǎng)，這會(huì)加重元素偏析，促進(jìn)尺寸粗大的共晶組織產(chǎn)生。共晶組織的增多使得金屬液在凝固過(guò)程中的流動(dòng)受到阻礙，導(dǎo)致合金在凝固后期的金屬液補(bǔ)縮能力不足而產(chǎn)生顯微疏松。因此，隨著鋯添加量的增加，合金中顯微疏松含量增加，與周陽(yáng)等[10]的研究結(jié)果基本一致。
圖 7不同鋯添加量試驗(yàn)合金的DSC曲線
Figure 7.DSC curves of test alloy with different addition amounts of Zr
2.2 對(duì)力學(xué)性能的影響
由圖8可以看出，隨著鋯添加量的增加，試驗(yàn)合金的室溫抗拉強(qiáng)度無(wú)明顯變化，斷后伸長(zhǎng)率先基本保持不變后降低。當(dāng)鋯添加量為0.025%時(shí)，試驗(yàn)合金的拉伸性能最優(yōu)，抗拉強(qiáng)度為1020MPa，斷后伸長(zhǎng)率為9%。試驗(yàn)合金中分布在晶界處的顆粒狀碳化物可以起到釘扎作用，阻礙裂紋擴(kuò)展，起到晶界強(qiáng)化作用[18-19]，而形成的共晶組織會(huì)降低其力學(xué)性能[20-21]。當(dāng)鋯添加量不大于0.025%時(shí)，隨著鋯添加量的增加，塊狀碳化物和條狀碳化物含量無(wú)明顯變化，顆粒狀碳化物顯著增多，在室溫拉伸過(guò)程中產(chǎn)生的晶界強(qiáng)化作用和共晶組織對(duì)力學(xué)性能的劣化作用達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，因此合金的抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率無(wú)明顯變化。當(dāng)鋯添加量大于0.025%時(shí)，分布于晶界處的顆粒狀碳化物含量大幅降低，晶界強(qiáng)化作用弱化，但抗拉強(qiáng)度無(wú)明顯變化，這可能與K465合金的本征強(qiáng)度較高有關(guān)；同時(shí)，塊狀碳化物含量的增加導(dǎo)致晶界處裂紋容易萌生和擴(kuò)展，因此塑性明顯降低[22]，斷后伸長(zhǎng)率減小。隨著鋯添加量的增加，試驗(yàn)合金在975℃/225MPa下的持久斷裂時(shí)間先延長(zhǎng)后縮短，當(dāng)鋯添加量為0.025%時(shí)，持久斷裂時(shí)間最長(zhǎng)，為70h。由圖9可見(jiàn)，在持久試樣斷裂過(guò)程中，裂紋主要在塊狀碳化物附近萌生，并在應(yīng)力作用下沿晶界擴(kuò)展。當(dāng)鋯添加量不大于0.025%時(shí)，隨著鋯添加量的增加，塊狀碳化物、共晶和顯微疏松含量無(wú)明顯變化，顆粒狀碳化物顯著增多，而顆粒狀碳化物可以起到釘扎作用，阻礙裂紋擴(kuò)展[23]，因此持久斷裂時(shí)間延長(zhǎng)。當(dāng)鋯添加量達(dá)到0.050%時(shí)，塊狀碳化物、共晶和顯微疏松含量均明顯升高，在高溫持久蠕變過(guò)程中，裂紋易于在塊狀碳化物[14]、共晶[24]和顯微疏松[25]處萌生和擴(kuò)展，因此持久斷裂時(shí)間縮短。
圖 8試驗(yàn)合金的拉伸性能和持久斷裂時(shí)間隨鋯添加量的變化曲線
Figure 8.Curves of tensile properties and endurance rupture time vs Zr addition amount of test alloy
圖 9不同鋯添加量試驗(yàn)合金在975℃/225 MPa下的持久斷口縱截面裂紋形貌
Figure 9.Crack morphology of endurance fracture longitudinal section of test steel with different addition amounts of Zr at 975℃ and 225 MPa
3. 結(jié)論
（1）不同鋯添加量試驗(yàn)合金中的碳化物包括塊狀MC型碳化物、條狀和顆粒狀M6C型碳化物，顆粒狀和條狀碳化物主要分布于枝晶間，塊狀碳化物主要分布于枝晶干；當(dāng)鋯添加量不大于0.025%時(shí)，隨鋯添加量的增加，塊狀和條狀碳化物含量無(wú)明顯變化，顆粒狀碳化物含量先基本不變后升高，而當(dāng)鋯添加量增至0.050%時(shí)，塊狀碳化物含量顯著升高，條狀和顆粒狀碳化物含量急劇降低。
（2）不同鋯添加量試驗(yàn)合金均存在γ/γ´共晶組織和顯微疏松，當(dāng)鋯添加量不大于0.025%時(shí)，隨著鋯添加量的增加，γ/γ´共晶組織和顯微疏松含量無(wú)明顯變化，而當(dāng)鋯添加量增加到0.050%時(shí)，γ/γ´共晶組織和顯微疏松含量均顯著升高。隨著鋯添加量由0.025%增加到0.050%，合金液/固相線溫度差值增大。
（3）隨著鋯添加量的增加，試驗(yàn)合金的室溫抗拉強(qiáng)度無(wú)明顯變化，斷后伸長(zhǎng)率先基本保持不變后降低，在975℃/225MPa下的持久斷裂時(shí)間先延長(zhǎng)后縮短。在試驗(yàn)范圍內(nèi)，鋯的最佳添加量為0.025%，合金的持久斷裂時(shí)間最長(zhǎng)，為70h，室溫抗拉強(qiáng)度為1020MPa，斷后伸長(zhǎng)率為9%。
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