分享：锆添加量对K465高温合金显微组织和性能的影响

0.   引言

随着航空发动机技术的不断发展，发动机推重比不断提高，涡轮叶片服役温度越来越高，这对叶片材料的综合性能，尤其是高温性能提出了更高要求[1-2]。镍基铸造高温合金是叶片材料的一种，其成分复杂，添加的微量元素主要起到晶界强化和晶界净化作用[3-4]。锆元素作为铸造高温合金重要的晶界强化微量元素，在各类牌号高温合金中均得到广泛应用，有关其在高温合金中作用机理的研究工作也已开展较多。李亚敏等[5]研究发现，添加锆可促进K4169合金中铌、钼、钛元素偏析，增加碳化物数量，提高Laves相初熔温度，降低合金熔点；杨道敏等[6]研究发现，锆元素可以改善高温合金的铸造性能，减小铸件的热裂倾向；CHEN等[7]和HUANG等[8]研究发现，锆元素可限制高温合金中的碳化物由MC向M23C6转变，稳定MC碳化物和基体界面；周鹏杰等[9]研究发现，随着锆含量的增加，M951合金的碳化物形貌由片状或针状向块状转变，晶粒内骨架状碳化物减少，晶界上碳化物增多，导致合金拉伸性能略有提高，持久断裂时间先延长后缩短；周阳等[10]研究发现，K417合金中添加锆后，组织中共晶相含量和显微疏松数量增加，持久断裂时间先延长后缩短。可见，锆元素会对高温合金的凝固特性、显微组织及铸造性能产生影响，从而影响高温合金的力学性能。 

K465合金是在俄罗斯ЖС6У合金[11]基础上研制的一种合金化程度较高的镍基铸造高温合金，其钨、钼、铌等难熔元素含量高，具有优异的高温蠕变性能、高温疲劳性能和高承温能力，适用于制备航空发动机涡轮叶片、涡轮导向叶片及其他高温结构件，在航空领域得到广泛应用[12-14]。目前，尚未见有关锆元素对K465高温合金显微组织和力学性能影响的研究报道。因此，作者采用真空感应炉制备了添加不同质量分数锆的K465镍基高温合金，并对其进行1 210 ℃×4 h的热处理，研究了锆添加量对合金显微组织和性能的影响，以期为K465合金中锆含量的控制提供理论依据和数据支撑。 

1.   试样制备与试验方法

试验材料为K465镍基铸造高温合金，由DB-VLM50B型50 kg真空感应炉制备得到，其化学成分（质量分数/%）为10.0Co，8.9Cr，1.62Mo，10.0W，5.40Al，2.60Ti，1.00Nb，0.17C，0.02B，余Ni。按照锆的添加量（质量分数，下同）分别为0，0.005%，0.025%，0.050%称取纯锆和K465合金，采用ZG/0.025型25 kg真空感应炉熔炼合金锭，并将其重熔后通过普通灯笼模壳浇注得到合金试棒，对试棒进行1 210 ℃保温4 h空冷的热处理。 

在试验合金中间相同部位截取尺寸为?5 mm×5 mm的金相试样，经打磨、抛光后，采用组成为100 mL HCl+20 g CuSO4+5 mL H2SO4+80mL H2O的溶液腐蚀，采用Sigam300型扫描电镜（SEM）观察微观形貌，采用Ultim Max能谱分析仪（EDS）分析微区成分。采用Image J图像处理软件对碳化物、γ´相等的尺寸和面积进行分析。采用STA-449C型同步热分析仪（DSC）对试验合金的液/固相线温度进行分析，以15 ℃·min−1的速率由室温（25 ℃）升温至1 450 ℃后降至室温。根据GB/T 228.1—2021《金属材料拉伸试验 第1部分：室温试验方法》，在试验合金上截取如1（a）所示的拉伸试样，采用UTM5305X型拉伸试验机进行室温拉伸试验，屈服前应变速率为0.000 083 s−1，屈服后拉伸速度为3.6 mm·min−1。根据GB/T 2039—2024《金属材料 单轴拉伸蠕变试验方法》，在试验合金上截取如1（b）所示的持久试样，采用RD-50型高温持久蠕变试验机进行高温持久试验，试验温度为975 ℃，应力为225 MPa。拉伸和持久试验各测3个平行试样，取试验结果的平均值。采用Sigma300型扫描电镜观察持久断口纵截面裂纹形貌。 

图  1  拉伸试样与持久试样的形状和尺寸

Figure  1.  Shape and size of tensile sample (a) and endurance sample (b)

2.   试验结果与讨论

2.1   对显微组织的影响

由图2可以看出，不同锆添加量试验合金中的碳化物包括块状、条状和颗粒状碳化物，颗粒状和条状碳化物主要分布于枝晶间，块状碳化物主要分布于枝晶干。由图3可知：当锆添加量不大于0.025%时，随锆添加量增加，块状碳化物和条状碳化物含量无明显变化，颗粒状碳化物含量先基本不变后升高；当锆添加量由0.025%增加至0.050%时，块状碳化物含量（面积分数，下同）大幅增加，由0.1%升高至0.6%，条状和颗粒状碳化物含量大幅降低，其中条状碳化物由0.3%降低至0.2%，颗粒状碳化物由0.8%降低至0.4%。当锆添加量不大于0.025%时，原子尺寸较大的锆进入碳化物后，会造成晶格畸变，使得碳化物与基体之间的错配度增加，单位面积界面能增大，碳化物形核功增加，因此合金在凝固时更易形成尺寸较小的颗粒状和条状碳化物[9]。但当锆添加量增加到0.050%时，锆在颗粒状和条状碳化物中达到饱和，更易形成块状碳化物。 

图  2  不同锆添加量试验合金的碳化物形貌

Figure  2.  Carbide morphology of test alloy with different addition amounts of Zr

图  3  试验合金中不同形状碳化物的面积分数随锆添加量的变化曲线

Figure  3.  Curves of area fraction of different-shaped carbides vs addition amounts of Zr in test alloy

以锆添加量0.050%的试验合金为例进行碳化物成分分析。由图4可知，试验合金的碳化物含有钛、钨、钼、铌、锆和碳元素，其中：块状碳化物为MC型碳化物，富含钨和铌元素；条状碳化物和颗粒状碳化物为M6C型碳化物[15-16]，富含钨和钼元素。块状碳化物中锆原子分数为0.40%，明显高于条状碳化物和颗粒状碳化物中锆原子分数（0.20%和0.12%）。在热处理过程中组织中的MC型碳化物分解为M6C型碳化物[15-16]，而锆的添加抑制了高熔点元素钨、钼和铌元素偏析以及MC型块状碳化物的分解，因此枝晶间高钨和钼含量的条状和颗粒状M6C型碳化物形成数量减少，块状MC型碳化物含量相对提高。 

图  4  锆添加量0.050%试验合金中不同形状碳化物的EDS分析结果

Figure  4.  EDS analysis results of different-shaped carbides in test alloy with Zr addition amount of 0.050%

由图5可以看出，不同锆添加量试验合金均存在γ/γ´共晶组织和显微疏松，其中γ/γ´共晶组织呈光板状，显微疏松分布于共晶边缘[17]。由图6可以看出：当锆添加量不大于0.025%时，随着锆添加量的增加，γ/γ´共晶和显微疏松含量无明显变化，面积分数分别为3.3%~3.8%，0.2%；当锆添加量继续增加到0.050%时，γ/γ´共晶和显微疏松面积分数分别增加至5.8%和0.8%。 

图  5  不同锆添加量试验合金中γ/γ′共晶和显微疏松的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

图  6  试验合金中γ/γ′共晶和显微疏松面积分数随锆添加量的变化曲线

Figure  6.  Curves of γ/γ′ eutectic and microporosity area fraction vs Zr addition amount in test alloy

为了进一步分析锆添加量对合金中共晶和显微疏松含量的影响，对锆添加量0.025%和0.050%试验合金分别进行了液/固相线温度测试。由图7可以看出：当锆添加量为0.025%时，试验合金的液/固相线温度分别为1 358.2，1 323.7 ℃，二者相差34.5 ℃；当锆添加量为0.050%时，液/固相线温度分别为1 356.8，1 312.6 ℃，二者相差44.2 ℃。随着锆添加量的增加，合金液相线温度差异不大，而固相线温度降低较多，即合金的初熔温度降低，液/固相线温度差值增大，意味着在凝固过程中合金糊状区的温度范围增大，凝固时间延长，这会加重元素偏析，促进尺寸粗大的共晶组织产生。共晶组织的增多使得金属液在凝固过程中的流动受到阻碍，导致合金在凝固后期的金属液补缩能力不足而产生显微疏松。因此，随着锆添加量的增加，合金中显微疏松含量增加，与周阳等[10]的研究结果基本一致。 

图  7  不同锆添加量试验合金的DSC曲线

Figure  7.  DSC curves of test alloy with different addition amounts of Zr

2.2   对力学性能的影响

由图8可以看出，随着锆添加量的增加，试验合金的室温抗拉强度无明显变化，断后伸长率先基本保持不变后降低。当锆添加量为0.025%时，试验合金的拉伸性能最优，抗拉强度为1 020 MPa，断后伸长率为9%。试验合金中分布在晶界处的颗粒状碳化物可以起到钉扎作用，阻碍裂纹扩展，起到晶界强化作用[18-19]，而形成的共晶组织会降低其力学性能[20-21]。当锆添加量不大于0.025%时，随着锆添加量的增加，块状碳化物和条状碳化物含量无明显变化，颗粒状碳化物显著增多，在室温拉伸过程中产生的晶界强化作用和共晶组织对力学性能的劣化作用达到动态平衡，因此合金的抗拉强度和断后伸长率无明显变化。当锆添加量大于0.025%时，分布于晶界处的颗粒状碳化物含量大幅降低，晶界强化作用弱化，但抗拉强度无明显变化，这可能与K465合金的本征强度较高有关；同时，块状碳化物含量的增加导致晶界处裂纹容易萌生和扩展，因此塑性明显降低[22]，断后伸长率减小。随着锆添加量的增加，试验合金在975 ℃/225 MPa下的持久断裂时间先延长后缩短，当锆添加量为0.025%时，持久断裂时间最长，为70 h。由图9可见，在持久试样断裂过程中，裂纹主要在块状碳化物附近萌生，并在应力作用下沿晶界扩展。当锆添加量不大于0.025%时，随着锆添加量的增加，块状碳化物、共晶和显微疏松含量无明显变化，颗粒状碳化物显著增多，而颗粒状碳化物可以起到钉扎作用，阻碍裂纹扩展[23]，因此持久断裂时间延长。当锆添加量达到0.050%时，块状碳化物、共晶和显微疏松含量均明显升高，在高温持久蠕变过程中，裂纹易于在块状碳化物[14]、共晶[24]和显微疏松[25]处萌生和扩展，因此持久断裂时间缩短。 

图  8  试验合金的拉伸性能和持久断裂时间随锆添加量的变化曲线

Figure  8.  Curves of tensile properties and endurance rupture time vs Zr addition amount of test alloy

图  9  不同锆添加量试验合金在975 ℃/225 MPa下的持久断口纵截面裂纹形貌

Figure  9.  Crack morphology of endurance fracture longitudinal section of test steel with different addition amounts of Zr at 975 ℃ and 225 MPa

3.   结论

（1）不同锆添加量试验合金中的碳化物包括块状MC型碳化物、条状和颗粒状M6C型碳化物，颗粒状和条状碳化物主要分布于枝晶间，块状碳化物主要分布于枝晶干；当锆添加量不大于0.025%时，随锆添加量的增加，块状和条状碳化物含量无明显变化，颗粒状碳化物含量先基本不变后升高，而当锆添加量增至0.050%时，块状碳化物含量显著升高，条状和颗粒状碳化物含量急剧降低。 

（2）不同锆添加量试验合金均存在γ/γ´共晶组织和显微疏松，当锆添加量不大于0.025%时，随着锆添加量的增加，γ/γ´共晶组织和显微疏松含量无明显变化，而当锆添加量增加到0.050%时，γ/γ´共晶组织和显微疏松含量均显著升高。随着锆添加量由0.025%增加到0.050%，合金液/固相线温度差值增大。 

（3）随着锆添加量的增加，试验合金的室温抗拉强度无明显变化，断后伸长率先基本保持不变后降低，在975 ℃/225 MPa下的持久断裂时间先延长后缩短。在试验范围内，锆的最佳添加量为0.025%，合金的持久断裂时间最长，为70 h，室温抗拉强度为1 020 MPa，断后伸长率为9%。

文章来源——材料与测试网