简介概要

返回次数对镍基K4169合金组织及性能的影响

来源期刊：稀有金属2012年第1期

论文作者：满延林王宇飞杨刚于海涛王雪梅

文章页码：54 - 60

关键词：K4169;返回料;微观组织;力学性能;

摘要：采用50%返回料+50%新料的新工艺熔炼镍基K4169合金,进行了4次返回料的熔炼试验。采用金相显微镜及扫描电镜对新料合金及返回料合金的微观形貌进行了观察,用直读光谱仪对不同返回次数的合金进行了化学成分分析、对其力学和持久性能进行测试,研究了返回料熔炼对合金化学成分、微观组织及力学性能的影响。结果表明:随返回次数增加,化学成分无明显变化,合金的气体含量略呈下降趋势且总含量低于40×10-6,返回料冶炼过程中可不添加B和Zr。K4169合金凝固组织为典型枝晶结构,返回料对K4169合金的铸态枝晶组织没有明显影响。MC型碳化物及Laves相在热处理过程中部分分解,析出针片状δ相,在所有元素中,Nb的偏析最为严重,通过适当延长固溶处理时间可提高元素Nb的分布均匀性和抑制δ相的生成。返回料合金的室温拉伸强度及屈服强度随返回次数增加略有增加,合金的持久寿命较新料合金略有降低,但均明显超过现有技术标准规定的要求。熔炼的返回料合金具有良好的中温塑性,总体上与新料的质量水平相当。返回料合金的铸造性能与新料相当,可以代替新料用于铸件生产。

稀有金属 2012,36(01),54-60

返回次数对镍基K4169合金组织及性能的影响

满延林王宇飞杨刚于海涛王雪梅

沈阳黎明航空发动机(集团)有限责任公司精密铸造厂

摘要：

采用50%返回料+50%新料的新工艺熔炼镍基K4169合金,进行了4次返回料的熔炼试验。采用金相显微镜及扫描电镜对新料合金及返回料合金的微观形貌进行了观察,用直读光谱仪对不同返回次数的合金进行了化学成分分析、对其力学和持久性能进行测试,研究了返回料熔炼对合金化学成分、微观组织及力学性能的影响。结果表明:随返回次数增加,化学成分无明显变化,合金的气体含量略呈下降趋势且总含量低于40×10-6,返回料冶炼过程中可不添加B和Zr。K4169合金凝固组织为典型枝晶结构,返回料对K4169合金的铸态枝晶组织没有明显影响。MC型碳化物及Laves相在热处理过程中部分分解,析出针片状δ相,在所有元素中,Nb的偏析最为严重,通过适当延长固溶处理时间可提高元素Nb的分布均匀性和抑制δ相的生成。返回料合金的室温拉伸强度及屈服强度随返回次数增加略有增加,合金的持久寿命较新料合金略有降低,但均明显超过现有技术标准规定的要求。熔炼的返回料合金具有良好的中温塑性,总体上与新料的质量水平相当。返回料合金的铸造性能与新料相当,可以代替新料用于铸件生产。

关键词：

K4169;返回料;微观组织;力学性能;

中图分类号： TG132.32

作者简介：满延林(1961-),男,湖南慈利人,学士,高级工程师;研究方向:铸造高温合金及生产工艺;(E-mail:dengken007@yahoo.com.cn);

收稿日期：2011-06-19

基金：中航工业集团重点项目(KT09Y025-015)资助;

Effect of Revert Recycle Times on Microstructure and Mechanical Properties of Ni-Based Superalloy K4169

Abstract：

A novel melting process for the Ni-based alloy K4169 was developed using 50 % revert alloy and 50 % green alloy,and the revert alloy was recycled 4 times.The microstructure of green alloy and revert alloy was observed using optical microscopy(OM) and scanning electron microscopy(SEM).The effects of revert recycle times on their chemical composition,mechanical properties and rupture life were investigated by inductive coupling plasma mass analyzer(ICP-MS,JY70 PLUS) and mechanical measurement at various temperatures.The results showed that with the revert recycling time increasing,the chemical composition of the revert alloy was basically stable,with a decrease tendency for gas element contents(total content below 40×10-6),so during the melting process it was not necessary to add B and Zr.It was found that the microstructure of K4169 alloy obtained was a typical dendrite structure.Compared with the green alloy,the dendrite morphology of the revert alloy exhibited no obvious modification.The MC-type carbides and Laves phase would be decomposed during the subsequent heat treatment process,with the formation of needle-like δ phase.Among all the elements,the segregation of Nb was the most serious one and the distribution of Nb in alloy would be improved by appropriate extension of quenching time for the heat treatment process and the δ phase formation consequently was suppressed.The alloy mechanical properties were influenced by the revert recycle times.With the revert recycles increased,the revert alloy tensile and yield strengths at room temperature showed a slight increase tendency,while their creep rupture life was reduced compared with the green alloy.But,the mechanical properties and creep rupture life for these revert alloys were clearly better than the current standard requirements for K4169 alloy.The revert alloy had a good mechanical properties at medium temperature,which was similar to the qualities of green alloy.For the casting performance,both the revert alloy and the green alloy were basically the same and the revert alloy could replace the green alloy for casting.

Keyword：

K4169;revert;microstructures;mechanical properties;

Received： 2011-06-19

采用熔模铸造生产镍基高温合金铸件,在合格率较高的条件下,合金的利用率不足30%,大部分以浇道、冒口及报废铸件等形式存在而成为返回料。为降低成本,充分利用“稀缺资源”,国内外已广泛开展了镍基合金返回料循环使用的研究工作 ^{[1,2,3,4,5,6,7,8]} ;我国已有部分镍基合金的返回料在生产中得以循环利用,并且使用范围有进一步扩大的趋势 ^[9,10,11] 。镍基K4169合金具有较高的强度、塑性,优良的耐腐蚀性、抗氧化性、耐辐照性以及良好的焊接性能,已广泛用于700 ℃以下工作的航空发动机部件以及大型结构件 ^[12,13,14] ,是目前世界上使用量较大的高温合金之一。在保证合金质量的前提下,在生产中采用返回料合金将显著降低铸件的生产成本,提高材料的利用率和企业效益。据此,本工作采用返回料生产K4169合金,通过对多次熔炼的返回料合金微观组织及力学性能的测试,摸索K4169返回料在生产应用上的可行性。

1 实验

采用锦州电炉厂制造的ZG-0.2型真空感应炉熔炼新料合金锭,并将废零件、浇道等返回料经重熔后浇注成返回料锭,采用OES-5500Ⅱ型直读光谱仪、CS-444碳硫分析仪、JY70 PLUS型ICP光谱仪测定出新料锭和返回料锭的化学成分后,用50%新料锭+50%返回料锭熔炼返回料合金。合金浇注时均采用Al₂O₃陶瓷过滤网对合金进行过滤。采用ZG-0.025型真空感应炉浇铸合金力学性能试棒。一次返回料合金浇注铸件及试棒后产生的浇道、冒口及废铸件重新熔炼成返回料锭并与新料锭重新熔炼成二次返回料合金,如此循环共进行了4次返回料合金的熔炼。

所熔炼合金的热处理工艺如下:1095 ℃/1 h/AC+955 ℃/1 h/AC+720 ℃/8 h, 以50 ℃/h速度炉冷至620 ℃/8 h/AC;其中3次返回料合金在1095 ℃条件下固溶处理2 h,其余时效过程相同。热处理后采用蔡氏光学显微镜(OM)和S-3400N型扫描电子显微镜(SEM)对各种状态下材料的显微组织进行观察。样品采用电解腐蚀,介质为王水+甘油。分别用WDW-300型万能试验机、DCX-25T型高温试验机和GTW504型蠕变试验机测定合金的室温拉伸性能、高温拉伸性能及持久性能。

2 结果与讨论

2.1 返回料合金的化学成分

新料及不同返回次数的K4169合金化学成分分析结果平均值见表1。从表中数据可以看出:因在熔炼时对主要合金元素进行了补加,使各次返回料母合金的主要元素含量都符合技术条件的规定且波动较小,杂质元素均低于技术条件的要求;微合金化元素B, Zr经过4次返回熔炼后变化不大,表明返回料冶炼过程中不添加硼、锆是可行的。随着返回次数的增加,硫、氧、氮含量略呈下降趋势,气体总含量低于40×10^-6。这是由于对返回料表面进行了滚磨和吹砂处理,因此降低了返回料表面层的夹杂物及气体含量 ^[15] ,同时说明采用50%新料+50%返回料的熔炼工艺有利于化学成分的稳定、有效控制了返回料中的气体含量并保证了合金性能的稳定。但无论是新料还是返回料,其氮含量始终高于氧含量,这主要与合金中含有较高的Cr有关。

表1 不同返回次数的K4169合金的化学成分(%,质量分数)

Table 1 Chemical compositions of K4169 alloys after different recycle times (%, mass fraction)

Elements	C	Cr	Ni	Mo	Al	Ti	Nb+Ta	B	Zr	S^*	O^*	N^*
Criterion	0.020- 0.080	18.0- 21.0	51.0- 55.0	2.85- 3.30	0.40- 0.70	0.75- 1.15	4.50- 5.40	≤0.006	≤0.050	<150.0	-	-
Green alloy	0.067	19.54	51.29	3.16	0.58	1.04	5.09	0.004	0.031	10.5	13.7	21.2
First revert	0.062	18.60	52.07	3.13	0.53	0.97	5.15	0.003	0.028	14.6	12.0	20.4
Second revert	0.060	19.14	52.43	3.16	0.57	1.00	5.31	0.004	0.024	13.3	13.0	20.7
Third revert	0.051	18.71	52.62	3.10	0.56	0.97	5.18	0.004	0.028	14.2	12.8	19.5
Fourth revert	0.060	18.85	52.58	3.17	0.59	1.00	5.19	0.003	0.024	13.1	10.0	17.5

Note: S,O,N unit being 10^-6

2.2 返回料合金的微观形貌特征

合金的铸态枝晶组织形貌如图1所示。其中图1(a)为新料合金枝晶组织,图1(b)为二次返回料合金枝晶组织。由图可见,返回料合金枝晶形貌与新料合金枝晶形貌相似,均为典型的树枝晶结构,且形成的树枝晶大小相当。图1 (c, d)分别为图1(a, b)放大后的合金形貌。新料合金与返回料合金枝晶间区域均由分布于共晶相边缘的MC型碳化物及分布于共晶相中的网状Laves相组成,同时两种合金中的MC型碳化物相及Laves相颗粒尺寸及数量未见明显差异。

合金中Laves相放大后的形貌如图2所示,由图可见,新料合金与返回料合金中的Laves相的周边密布着细小的针状或短棒状δ相。

合金在热处理后部分Laves相溶解,析出大量针状δ相。由图3可见,针片状δ相具有固定的取向关系,互成约60°角,同一取向上的δ相相互平行。在δ相周围,经常出现一些细小的第二相颗粒,为还未充分长大的δ相。返回料合金与新料合金相比,一次返回、四次返回合金具有较多的针状δ相,二次返回合金中的针状δ相含量与新料相当,而三次返回合金中δ相的数量较少。

图3 热处理后合金中Laves相及δ相形貌特征

Fig.3 Morphology of Laves andδphase of superalloy after heat treatment

(a)Green alloy;(b)First revert alloy;(c)Second revert alloy;(d)Third revert alloy;(e)Fourth revert alloy

2.3 返回料合金的力学性能

测定新料及返回料合金的室温力学性能如图4所示。由图可知,与新料合金相比,随着返回次数的增加,合金抗拉强度和屈服强度除一次返回料稍有降低外,其他返回料合金均有所提高,返回料合金的延伸率及断面收缩率与新料相当。说明添加50%新料的返回料合金中,新料的加入有效解决了合金随返回次数增加造成的杂质富集问题,过滤净化大大降低了返回料的非金属夹杂物数量,降低了晶界处的应力集中,改善了合金的力学性能 ^[16,17] 。合金在400和600 ℃下的中温瞬时性能如图5所示。由图5可见,返回料合金400, 600 ℃条件下,合金的屈服强度与抗拉强度与新料相当,而合金的延伸率及断面收缩率随返回次数增加而降低,但仍远高于标准要求。

2.4 返回料合金的持久性能

将各返回次数的合金进行了705 ℃/450 MPa持久性能试验,不同返回次数合金的平均持久寿命及延伸率如图6所示。

图4 不同返回次数K4169合金的室温拉伸性能

Fig.4 Tensile properties of alloy K4169 for different recycled smelted times

图5 不同返回次数K4169合金的中温力学性能

Fig.5 Tensile properties of alloy K4169 for different revert times at medium temperature

(a)At 400℃;(b)At 600℃

图6 不同返回次数K4169合金的持久性能

Fig.6 Creep rupture life of K4169 alloy for different revert times

由图6可以看出,返回料合金的持久寿命比新料合金持久寿命有所下降,但均超过标准规定的持久寿命及塑性(断裂时间≥23 h,δ₅≥3%)4倍以上。

图6显示,三返料的持久寿命和延伸率是最大的,主要是由于采用了2 h均匀化处理,有效减少了合金元素的偏析,抑制了针状δ相的析出,使得合金的组织更加细小,是合金持久性能更高的主要原因。

2.5 返回料合金的应用

将经返回熔炼得到的返回料锭按照现行某发动机结构件浇铸工艺浇铸成铸件,经检验证明,用返回料锭浇铸的铸件未出现裂纹缺陷,与用新料锭浇铸的铸件合格率相当。这主要得益于返回料合金化学成分稳定且杂质及气体含量较低,可以代替新料用于铸件的生产。

2.6 讨论与分析

2.6.1合金中MC,Laves相的分解与δ相的生成

δ相为针片状结构,是有害相 ^[17] ,在一定程度上引起合金的力学性能降低。合金中MC型碳化物、Laves相、δ相的化学成分如表2所示。

由表中数据可知,MC型碳化物中Nb含量为88.87%(质量分数),Laves相中Nb含量为27.8%(质量分数),δ相中的Nb含量为19.7%(质量分数)。比较铸态合金(图1,图2)与热处理后合金(图3)的微观形貌发现,热处理可使合金中富含Nb元素的MC型碳化物和Laves相分解,分解后生成针片状δ相。由于δ相中的Nb含量低于MC型碳化物及Laves相,因此生成的针片状δ相数量要大于MC碳化物及Laves相分解的数量。其分解过程可用公式表示如下:

MC+γ→δ (1)

Laves+γ→δ (2)

2.6.2 热处理对Nb元素偏析及δ相数量的影响

铸态及热处理态合金的元素偏析比(枝晶间/枝晶干)如图7所示。图7(a)为铸态合金元素偏析情况。铸造高温合金在凝固过程中都存在一个类似性质,即γ固溶体对比基体(Ni)原子半径大的Ti, Al, Mo, Nb等元素具有排斥作用。凝固过程越长,偏析程度越明显。被排斥的元素位于枝晶间,主要以碳化物、硼化物、Laves相的形式存在。K4169是为数不多的高Nb高温合金,先凝固的枝晶干中Nb含量较少,而枝晶间Nb含量较高,形成Laves相。元素Mo, Ti和Nb元素主要富集于枝晶间,而Cr和Fe主要富集于枝晶干 ^[18] 。在铸态合金中Nb元素的偏析比较严重,使得富Nb的MC型碳化物、Laves相和δ相在枝晶间大量析出(图1)。

随返回次数的增加,合金中元素Nb的偏析程度增大。由图7(b)可见,经热处理后Nb元素的偏析程度明显减小,说明固溶处理对Nb元素的均匀化起到了很大的作用。三返合金中Nb元素的分布均匀性要好于新料合金,这主要是因为三返合金采用了较长固溶时间所致,析出的δ相数量(图3)较少,也说明了Nb的均匀性较好。因此,通过延长固溶处理时间可基本消除Nb元素的偏析,使Nb元素均匀分布。

表2 合金中MC, Laves和δ相的成分(%, 质量分数)

Table 2 Chemical compositions of MC, Laves and δ phase in alloy (%, mass fraction)