碳对高温合金DZ417G定向凝固组织及持久性能的影响规律

刘从庆，肖 旋，郭永安，周兰章，张东东

(1.沈阳理工大学 材料科学与工程学院，沈阳 110159；2.中国科学院金属研究所，沈阳 110016)

碳对高温合金DZ417G定向凝固组织及持久性能的影响规律

刘从庆1，2，肖 旋1，郭永安2，周兰章2，张东东1

(1.沈阳理工大学 材料科学与工程学院，沈阳 110159；2.中国科学院金属研究所，沈阳 110016)

采用扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)等方法研究了3种不同碳含量的DZ417G高温合金的凝固组织、热处理组织和持久性能，分析了合金显微组织和持久性能之间的关系。结果表明：随着C含量的增加，合金中的共晶数量减少，MC碳化物数量增多。经过热处理后，枝晶干的γ′相呈均匀细小的立方块状，且枝晶间的共晶及粗大的γ′相基本回溶，达到了较好的均匀化效果；MC碳化物发生了退化反应，出现了M23C6碳化物。随着C含量增加，合金的持久寿命减小，这是因为合金中未消除的共晶、碳化物及缩松会成为合金性能的薄弱位置，而C会直接引起合金中的共晶及碳化物数量的变化，因此，认为含碳量为0.05wt.%时，合金的持久性能最佳。

碳；显微组织；定向凝固高温合金；持久寿命

定向凝固高温合金已经成为高温涡轮发动机中的重要材料[1-5]，相比于单晶高温合金较低的良品率、复杂的热处理过程和精细的模具生产，定向凝固高温合金具有较低的成本和较高的良品率[6]。通常其工作温度较高，其主要的失效方式是高温下的蠕变断裂和疲劳断裂[7]，因此，高温下的持久性能成为定向凝固高温合金性能的主要指标[8]。

C加入到单晶高温合金中，可以显著地降低合金中的氧含量，从而起到净化合金液的作用[9]，并且C的加入还可以强化晶界[10]，减小合金元素的偏析程度[11]。相关文献[12]报道，合金中的块状MC碳化物对持久性能有利，然而目前的研究大多集中在单晶高温合金，针对定向凝固高温合金的研究较少。同时，目前有关碳对合金力学性能作用的规律仍存在分歧。K.A.Al-Jarba等[13]研究得出了室温强度与高温强度随着C含量增加而呈现出相反的变化规律。L.R.Liu等[14]研究认为，不同的应力及温度条件下，持久性能随着C含量的变化存在差异。可见不同合金体系对C含量改变具有不同的变化规律。因此，本文系统研究了C含量对DZ417G高温合金显微组织和力学性能的影响，明确C元素的作用，并探讨了影响该合金持久性能的主要因素及其机理，从而为合金设计和应用提供理论依据和参考。

1 实验材料和方法

利用真空感应炉炼制低碳的母合金(表1)，之后采用Bridgeman工艺制备含碳量分别为0.05%、0.09%和0.17%的3种<001>取向的定向试样。合金采用的标准热处理制度为：1220℃/4h、空冷+980℃/16h、空冷。将热处理后的样品加工成标准试样，并进行持久试验，试验条件为980℃/216MPa。

从试棒上切取金相试样，经磨平、抛光和腐蚀(腐蚀剂选用硫酸铜1.5g+盐酸40mL+无水乙醇20mL)后，使用S3400N型扫描电子显微镜(SEM)观察显微组织，并采用Sisc IAS V8.0图像分析软件对γ-γ′共晶和碳化物的体积分数进行定量分析。

表1 母合金的化学成分 wt.%

在C含量为0.17wt.%的热处理试样中取0.5mm的薄片，在水砂纸上微磨成厚度50μm左右的薄片，通过双喷减薄制备成标准透射样品，其中双喷液为10%高氯酸+90%酒精混合溶液。利用FEI Tecnai G2透射电镜(TEM)分析碳化物的类型及其和基体的取向关系。

2 实验结果与讨论

2.1 C对铸态组织的影响

3种不同C含量试样的SEM图像如图1所示，可以看出，随着C含量增加，合金组织中碳化物的析出量逐渐增多，而γ-γ′共晶的数量逐渐减少。为了能够从定量的角度分析C对合金中γ-γ′共晶及碳化物数量的影响，对3种不同C含量试样中的共晶和碳化物体积分数进行了测定，其结果如图2所示。可见定量分析结果和SEM观察结果一致，这是因为γ-γ′共晶的形成发生在凝固后期，而偏析于枝晶间及晶界附近的低熔点元素Ti，一方面是γ-γ′共晶的形成元素，同时也是MC碳化物的形成元素，γ-γ′共晶与MC碳化物存在元素竞争关系，由于MC碳化物先于γ-γ′共晶形成，从而消耗了大量的γ-γ′共晶形成元素(Ti等)。因此使得共晶数量减少。

2.2 C对热处理态组织的影响

图3是三种C含量的合金经过标准热处理后的显微组织。可以发现γ′相均匀地分布在整个样品中，三种合金中的γ′相呈现出均匀的立方体小方块形貌，并且γ′相尺寸都为0.5μm左右(图3d、3e、3f)。C含量并没有明显改变γ′相的尺寸和形貌，这是由于γ′的形貌主要受热处理条件的影响，而三种C含量合金的热处理制度相同。经过固溶处理后，枝晶间区域的共晶组织和粗大的γ′相基本回溶(图3a、3b、3c)，达到了较好的均匀化效果。另外，在三种C含量合金的枝晶间区域，大量的γ′相呈现出不规则的形貌，这是因为合金中的Al、Ti等γ′相形成元素含量较大，使得固溶处理后合金的过饱和度非常高，析出动力很大，使γ′相不同程度析出并长大。同时，对于含碳量为0.05wt.%的合金，在枝晶间发现了少量未被固溶的共晶组织及少量的碳化物(图3a)；对于含碳量为0.09wt.%的合金，在枝晶间有少量的残留共晶组织及较多的碳化物(图3b)；对于含碳量为0.17wt.%的合金，枝晶间存在较多的碳化物，且没有发现残留的共晶组织(图3c)。

图1 不同C含量合金的SEM图像

图2 不同C含量合金中共晶和碳化物的体积分数

图3 不同C含量试样热处理后的显微组织

经过热处理后，合金中的碳化物同样发生了一些变化，大部分碳化MC碳化物保持原来的成分与形貌，但有一部分的MC碳化物形貌和成分发生了转变。从扫描电子显微图像可以发现在热处理过程中，MC碳化物周围及晶界上析出了少量的颗粒状物质(图3d、3e、3f)，对小颗粒状的碳化物进行TEM分析，根据透射图像及衍射斑点(图4)，可以判定该颗粒状碳化物为M23C6碳化物，M23C6碳化物是MC碳化物在980℃时效时开始退化生成的。退化反应如下：

MC+γ→M23C6+γ′

(1)

(Ti,Mo)C+(Ni,Cr,Al,Ti)→

Cr21Mo2C6+Ni3(Al,Ti)

(2)

图4 C含量为0.17wt.%的样品经过热处理后的TEM图像

2.3 C对持久性能的影响

C含量对合金持久寿命的影响表明(图5a)，随着C含量的增加，合金试样的持久寿命呈线性下降趋势。当C含量为0.05wt.%时，合金持久寿命具有最大值72h，当C含量增加到0.17wt.%时，合金的持久寿命具有最小值41h，因此，加入C后，对合金的持久寿命不利。不同C含量合金的持久塑性如图5b所示，可以看出，3种C含量合金试样的断面收缩率都比较高，随着C含量的增加，合金试样的面缩率变化不大。而伸长率在C含量为0.05wt.%的合金中出现最大值44.65%；当C含量上升到0.09wt.%时，试样的伸长率下降到35.2%；当C含量继续上升到0.17wt.%时，试样的伸长率缓慢增加到38.7%。可见C的加入对合金980℃/216MPa持久塑性影响不大。

图5 C含量与合金持久性能的关系

2.4 断口组织

980℃/216MPa持久断裂属于微孔聚集型断裂,断裂过程主要包括微孔的成核、长大、聚合直至断裂。微孔形成后即借助延伸而长大(图6a)。当其长成椭圆状且相邻微孔间距等于微孔长度时(图6b)。两微孔之间的基体将产生显著局部塑性变形，韧性裂纹形成(图6c)。如此不断地进行下去直至试样最终断裂。

图6 微孔长大和聚合示意图

图7为3种C含量试样经过980℃/216MPa持久试验后的断口附近形貌。

图7 不同C含量试样断口附近的裂纹形貌

可以看出，经过980℃/216MPa持久试验后，合金中的的γ′相变得粗化，并且沿着垂直于应力方向发生了定向筏形化，其中远离裂纹的枝晶干区域的γ′相筏形化得比较有规律性(图7a)，裂纹源出现在凝固缩松(图7b)、共晶(图7c)和碳化物(图7d、7e、7f)周围。对比分析发现，当C含量较低时持久裂纹源主要为凝固缩松及共晶(图7b、7c)；随着C含量逐渐增加，持久裂纹源位置逐步由共晶向碳化物转变(图7d、7e、7f)。

合金中加入C后，合金中的共晶含量降低，但是仍有一定残留量，使合金的枝晶间区域仍然含有部分未溶解的共晶。由于共晶具有脆性特征，导致试样在变形过程中成为薄弱区域。从这个角度来讲，C含量增加，共晶减小，对合金的持久性能是有利的。然而，从另外一个角度来讲，C含量增加，合金中的碳化物增多，且在高温条件下碳化物的类型开始呈多样化，相比于大块状MC碳化物，应力集中更易发生在分散的M23C6碳化物，进而成为裂纹的萌生位置。因此，对合金的持久性能又是不利的。

3 结论

(1)随着C含量增加，铸态状态下，合金中的γ-γ′共晶数量减少，碳化物数量逐渐增多。共晶和碳化物主要分布在枝晶间区域。

(2)经过热处理后，合金组织达到了较好的均匀化效果，枝晶干的γ′相呈均匀细小的立方块状，枝晶间的共晶及粗大的γ′相基本回溶。

(3)标准热处理后，合金中的MC碳化物部分发生了退化反应，生成了M23C6碳化物，且M23C6碳化物主要集中在晶界及MC碳化物周围。

(4)当C含量为0.05wt.%时，合金的持久寿命达到最大值72h，随着C含量增加，合金的持久寿命降低；断裂为微孔聚集型断裂，且γ′相发生了明显的筏形化。当碳含量较低时，持久裂纹源主要为凝固缩松及共晶，随着C含量增加，裂纹源逐步由共晶向碳化物转变。

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(责任编辑：马金发)

EffectofCarbonontheMicrostructureandRupturePropertiesofDZ417GduringDirectionallySolidifiedofNi-basedSuperalloy

LIU Congqing1,2,XIAO Xuan1,GUO Yongan2,ZHOU Lanzhang2,ZHANG Dongdong1

(1.Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China;2.Institute of Metal Research,Chinese Academy of Science,Shenyang 110016,China)

The effects of carbon addition on the solidification microstructure and heat treatment microstructure and rupture life were investigated in three different carbon level of DZ417G superalloys through scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM).The relationship between microstructure and rupture property was discussed.The results showed that with the increasing of carbon level,the volume fraction of eutectic decreased and the volume fraction of carbides increased.After heat treatment the γ′ become uniform cubical and the γ-γ′ eutectic were dissolved mainly;MC carbides were dissolved slightly,and M23C6appeared after heat treatment.With the increasing of carbon addition,the rupture life of the DZ417G superalloy decreased.The change of rupture life was mainly affected by the un-dissolved eutectic and carbides of alloy.The volume of eutectic and carbides were controlled by carbon addition,therefore,the carbon content should be controlled in 0.05wt.%,which was benefit to the rupture property mostly.

Carbon;microstructure;directionally solidified superalloy;rupture property

TG146

A

2016-09-07

刘从庆(1991—),男,硕士研究生;通讯作者:肖旋(1966—)，女，副教授，博士，研究方向：镍基高温合金。

1003-1251(2017)05-0073-06