K4169高温合金化学法晶粒细化工艺及机理的研究

【摘要】： 常规高温合金铸件存在晶粒粗大、碳化物和γ'等第二相也粗大且分布不均匀 等问题，导致材料的屈服强度和低周疲劳性能低、热加工性能差。自20世纪80 年代发展起来的整体细晶铸造技术是提高高温合金性能的有效途径之一。 采用热控法可获得细化至数十微米的均匀铸件，但由于浇注温度低，一般在 大型铸件内要产生显微缩孔，需要进行热等静压处理（HIP）来闭合缩孔和缩松以及 需进行随后的热处理，加大了生产成本。采用振动法细化效果较好，不仅可以得 到细化至数百微米的均匀铸件，而且可以改善合金液的充型能力，但设备复杂， 需要更新现有熔模铸造设备；另外，由于凝固受干扰，晶粒之间产生许多显微孔 穴，故必须进行HIP来闭合缩松，大大提高了生产成本。化学法是在常规铸造工 艺条件下向合金熔体中加入细化剂，可获得几乎没有缩松、致密的高温合金细晶 组织，不需要进行HIP，降低了生产成本。化学法因不需要昂贵的设备和复杂的 操作，并具有细化效果显著等突出的特点而受到重视。但是由于高温合金对夹杂 特别敏感，所以对细化剂的选择必须慎重。 本文针对这些情况，对化学法细化的熔铸工艺进行了探讨，在常规铸造工艺 条件下获得了K4169合金细晶铸锭及叶片样件，并对化学法细化的机理以及细化 组织的形成机理进行了研究。主要研究成果和结论如下： （1）选择并制备了适合K4169高温合金的细化剂：两种二元和两种三元金属间化 合物。微量细化剂的加入不形成夹杂，不改变合金的相组成。 （2）在通常的浇注温度1400℃下，对合金熔体进行和不进行均匀化处理的前提 下，加入复合细化剂（B8+B9）可使圆柱锭的晶粒分别细化至ASTM1.7级和ASTM 3.2级；断面等轴晶的比例分别达96％和99％以上。当浇注温度为1420℃并对 合金熔体进行了均匀化处理时，加入复合细化剂可使晶粒细化至ASTM M10.5级， 断面等轴晶的比例达90％以上。 （3）首次利用化学法浇注细晶叶片样件，浇注温度为1400℃时并对熔体进行均 匀化处理、加入复合细化剂条件下浇注所得叶片的晶粒尺寸细小、组织比较均匀、 成型性好且无铸造缺陷。 摘 要 一 （4）单一或复合细化剂均能使铸件中等轴晶的平均尺寸减小，断面等轴晶的比例 提高。其作用机理是细化剂颗粒可作为非均匀形核的基底，降低了形核功，促进 了非均匀形核。复合细化剂较单一细化剂的效果好可归因于特征过冷度的影响。 ＊）研究了工艺参数对晶粒组织的影响。熔体经均匀化处理较未经均匀化处理时 获得的晶粒组织粗大一些，这是因为均匀化处理后初生碳化物和其它难熔质点所 起的细化作用被削弱了的缘故；低的浇注温度通过引起形核过冷度的增加而导致 晶粒细化。。 的）同一浇注温度下，化学细化法所获得的细晶试样除晶粒尺寸减小之外，其一 次枝晶主轴长度变短，但二次枝晶臂距没有明显的变化。另外，晶粒细化后，Laves。 相和MC型碳化物的尺寸、数量和形貌等变化不大，但晶粒的形态也改变了，由 普通铸造组织中的的几乎全部是树枝晶向细晶组织中的粒状晶转变。 （7） 细晶试样中的元素枝晶偏析得以减轻，随着晶粒尺寸减小，Fe、Cr和Nb元 素的偏析比也越来越趋于1，这表明晶粒越细的组织，其Fe、Cr和Nb元素的分 布越均匀，这有利于提高细晶铸件的机械性能。 侣）本文对晶粒细化后出现的粒状化现象做了详尽的分析，发现凝固后晶粒最终 是粒状还是枝晶以及枝晶的分枝发达与否是由球形界面失稳与否、失稳的程度以 及外部环境决定的。提出了现有球形界面失稳理论的不足，认为该理论还应考虑 元素枝晶偏析、粗化作用以及对流等的影响，并利用晶粒球化的模型描述了球形 界面的失稳现象。 降低浇注温度可减小铸件中的温度梯度，同时提高冷却速率，有利于增大熔 体的过冷度，而细化剂的加入增加了单位体积中可供非均匀形核的衬底粒子的数 目，因此热控法和化学法均有利于等轴晶的形成，故晶粒细化后断面等轴晶的比 例增大。