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您的位置：網(wǎng)站首頁(yè) > 技術(shù)文章 > gh4710高溫合金棒材質(zhì)化學(xué)成分 GH4710合金為鎳基鑄鍛兩用 的高 Al 、 Ti 含量的沉淀硬化型合金， 具有良好的拉伸強(qiáng)度、高溫持久性能和疲勞性能， 是渦軸航空發(fā)動(dòng)機(jī)輪盤類鍛件的主要材料 。 該合金在 Udimet710 合金的基礎(chǔ)上提高了 Cr 、 Ti 含量， 降低了 Co 、 Mo 、 Al 含量， 并加入W ， 從而改進(jìn)了高溫長(zhǎng)期穩(wěn)定性和抗腐蝕性能， 同時(shí)具 有 Udimet500 的 抗 氧 化 性 、 抗 硫 化 腐 蝕 性 和Udimet710 的高溫強(qiáng)度。 該合金的主要強(qiáng)化相為γ'-Ni 3 （ Al ， Ti ）， 其形成元素 Al 和 Ti 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)之和達(dá) 7.5% ， 使得 γ' 相 的 數(shù)量（ 體積分?jǐn)?shù)） 可達(dá) 40%～45% ， 比傳統(tǒng)鎳基變形高溫合金強(qiáng)化相總量高了近一倍。由于該合金的合金化程度非常高， 使得該合金的高溫強(qiáng)度大大提高， 塑性降低， 為典型的難變形高溫合金。
GH4710 合金的 冶煉方 法為 真空 感應(yīng)（ VIM ） +真空自 耗（ VAR ）雙聯(lián)工藝。 由于 GH4710 合金的合金化程度很高， 因此在鑄錠中不可避免地會(huì)出現(xiàn)成分偏析和枝晶間共晶析出相， 這對(duì)合金鑄錠在開坯過(guò)程中的熱塑性及棒材乃至鍛件的組織均勻性都有不利影響。為此， 需要研究合金鑄錠的偏析規(guī)律及特點(diǎn)， 再結(jié)合元素在合金中的擴(kuò)散規(guī)律， 制定出合理的高溫均勻化工藝以消除鑄錠偏析， 最終得到均勻、細(xì)晶的盤鍛件。本文通過(guò)凝固重熔實(shí)驗(yàn)， 系統(tǒng)研究了冷卻速率對(duì) GH4710 合金偏析規(guī)律的影響， 研究結(jié)果對(duì)進(jìn)一步的均勻化工藝制定具有重要意義。
實(shí)驗(yàn)材料及研究方法
切取 準(zhǔn)17mm×17mm 的 GH4710 合金圓柱試樣進(jìn)行凝固重熔實(shí)驗(yàn)， 實(shí)驗(yàn)合金的主要化學(xué)成分 ( 質(zhì)量分 數(shù) ， %) 如 下 ： 0.076C ， 1.52W ， 19.00 Cr ， 14.60Co ，3.4Mo ， 5.0Ti ， 2.5Al ， Fe≤1.00 ， 余量 Ni 。 凝固重熔實(shí)驗(yàn)方案如圖 1 所示。
合金的凝固重熔實(shí)驗(yàn)在真空管式爐上進(jìn)行，設(shè)備最高使用 溫度為 1500℃ 左右，加熱元件為 碳硅棒，在氬氣氛圍中進(jìn)行加熱，使合金鑄錠試樣熔化，以 避 免 合 金 被 氧 化。根 據(jù) Thermo-Calc 計(jì) 算 ，GH4710 合金的凝固范圍為 1297～1336℃ ，考慮合金 凝 固 時(shí) 的 過(guò) 冷 度，合 金 凝 固 控 溫 區(qū) 間 設(shè) 定 為1420～1100℃ 。即先將樣品加熱到1420℃ 保溫，再經(jīng)過(guò)相對(duì)應(yīng)的時(shí)間冷卻到1100℃ ，從而達(dá)到控制不同冷速的凝固過(guò)程的要求。為了模擬工業(yè)合金鑄錠不同部位在冷卻過(guò)程中的凝固情況，設(shè)計(jì)了 5 個(gè)冷速，分別為 10 、6 、3 、1 、0.5℃/min 。
凝固重熔實(shí)驗(yàn)完成后， 對(duì) GH4710 合金的凝固重熔錠進(jìn)行切割及打磨， 采用金相顯微鏡觀察枝晶組織狀態(tài)。 通過(guò)電解拋光（ 20%HCl+80% 甲 醇， 電壓15～25V ， 時(shí)間 1～2s ）和電解腐蝕（ 15gCr 2 O 3 +10mLH 2 SO 4 +150mLH 3 PO 4 ， 電壓 3～5 V ， 時(shí)間 1～2 s ）， 進(jìn)行組織偏析及組織特征的觀察分析。其中， 組織形貌分析在 JEOLJSM-7800F 場(chǎng) 發(fā) 射掃 描電鏡上進(jìn)行，成分分析在 JXA-8350F 電子探針設(shè)備上進(jìn)行。 最后， 利用 Photoshop 以及 Origin 軟件對(duì)枝晶間距進(jìn)行測(cè)量及分析。
不同冷速下 GH4710 合金的鑄態(tài)組織特征
圖 2 為不同冷速下重熔錠的金相組織。從圖 2中可以看出，不同冷速下 GH4710 合金重熔鑄錠組織顯示出典型的枝晶形貌。 這種結(jié)構(gòu)是由于合金的合金化程度高，在鑄錠凝固過(guò)程中各種不同合金元素經(jīng)過(guò)選區(qū)凝固形成的。從圖 2（ a ） ～ （ e ）可以看出，冷卻速度越大，枝晶的尺寸就越小。這是由于冷速越大， 形核驅(qū)動(dòng)力越大，形核位置及形核數(shù)越多， 多處位置枝晶競(jìng)爭(zhēng)長(zhǎng)大， 造成枝晶間距減小， 枝晶數(shù)量明顯增加。 圖中枝晶間是黑色區(qū)域， 枝晶干是白色區(qū)域。 在枝晶間區(qū)域， 可以看出有大量的析出相的存在。
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圖3為不同冷速下凝固重熔錠的SEM組織。從圖 3 中可以看出，在各個(gè)冷速下， 重熔鑄錠枝晶間都有大量的共晶相以及碳化物存在。在高冷速下，可以看出析出的共晶相多而小，在低冷速下，共晶相比較少，但是尺寸要更大。在高冷速下， 枝晶比較細(xì)小，有大量的枝晶間區(qū)域，可供共晶相形核析出的位置要多，故析出的共晶相數(shù)量要多，但是由于冷速較快，析出的共晶相還來(lái)不及長(zhǎng)得很大，故尺寸都比較細(xì)小。而在低冷速下，枝晶尺寸比較粗大，枝晶間區(qū)域面積也小， 共晶相析出 位置少，同時(shí)由 于冷速低，析出來(lái)的共晶相有充分的時(shí)間長(zhǎng)大， 故共晶相的尺寸都比較大。
GH4710合金元素偏析規(guī)律
表 1 和表 2 分別為使用電子探針測(cè)量的不同冷速下 GH4710 合金重熔鑄錠枝晶間與枝晶干主要偏析元素的含量及偏析系數(shù)。 圖 4 為主要偏析元素的偏析系數(shù)直觀圖。從表 1 和表 2 及圖 4 中可以看出，GH4710 合金中 Al 、 Ti 為 典型的正偏析元素，Al 、Ti原子在固相中貧乏， 在液相中富集。 合金中 Cr 、 Co元素為典型的負(fù)偏析元素，元素原子在液相中貧乏，在固相中富集。而且，四種主要元素中， Ti 的偏析程度最嚴(yán)重，Al 、Co 、Cr 的偏析程度相對(duì)要輕很多 在低冷速時(shí)， Ti 、 Al 、 Co 、 Cr 四 種主要的偏析元素受冷速影響比較大。 當(dāng) 冷速超過(guò) 3℃/min 時(shí)， Al 、 Co 、 Cr的偏析系數(shù)受冷速變化的影響就不明顯了。 而 Ti 元素的偏析受冷速影響比較大， 這是由于冷速低時(shí)， 合金凝固處于一個(gè)近似平衡凝固的狀態(tài)， 各元素在固相以及液相中都擴(kuò)散比較充分， 此時(shí) Ti 元素的偏析較輕， 隨著冷速的增加， 凝固過(guò)程越來(lái)越傾向于非平衡凝固的過(guò)程， 元素原子在固相中擴(kuò)散受抑制， 在液相中依然有著比較充分的擴(kuò)散， 因而 Ti 元素的偏析程度要加重。 隨著冷速的加大， 在 1～3℃/min 的冷速區(qū)間內(nèi)， 共晶相等析出相大量析出， 大量消耗了液相中的 Al 、 Ti 元素， 使得 Ti 、 Al 的偏析程度大大下降。隨著冷速繼續(xù)增加， 共晶相沒有充分時(shí)間長(zhǎng)大以消 耗液相中 的 Ti 原子， Ti 元素的偏析程度繼續(xù)加重。當(dāng)冷速超過(guò) 6℃/min 時(shí)，固相和液相中的元素?cái)U(kuò)散都受到 抑制，Ti 元素的偏析程度要稍 微減輕，偏析系數(shù)下降。
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根據(jù)材料科學(xué)基礎(chǔ)理論，利用熱力學(xué)軟件Thermo-Calc 的平衡凝固模型對(duì) GH4710合金的凝固過(guò)程進(jìn)行模擬，得到GH4710合金的熱力學(xué)平衡相圖，如圖5所示。 由圖 5 可知，在熱力學(xué)平衡條件下， H4710 合金中 在凝固完畢后主要存在基體 γ相、析出相 γ' 相、碳化物 MC 、M 23 C 6 以及少量 μ 相和 σ 相。 從相圖中可以看出， GH4710 合金的初熔溫度是 1297℃ ，終熔溫度為 1336℃ 。隨著凝固過(guò)程的進(jìn)行， 在不同的溫度會(huì)有不同的析出相析出。 γ析出溫度最高，為 1317℃ ， 此溫度比合金初熔溫度高， 導(dǎo)致其直接從液相中析出， 故其也更易長(zhǎng)大。 當(dāng)溫度下降到 1153℃ 時(shí)，γ' 相開始析出，隨著溫度的下降，其析出 量也在增多，平衡態(tài)時(shí)最高含量可以達(dá)到45%以上。溫度繼續(xù)下降時(shí)，會(huì)有σ相和μ相析出，但在實(shí)際的凝固過(guò)程中，不會(huì)出現(xiàn)σ相和μ相。由于σ相的典型成分是 FeCr ，而 Fe 、 Cr 元素為負(fù)偏析元素， 在凝固過(guò)程中這兩種元素會(huì)在枝晶干富集， 固溶于基體，所以在實(shí)際凝固時(shí)不會(huì)作為析出相出現(xiàn)，只是在平衡相圖中有出現(xiàn)的可能性。
結(jié)合上述凝固重熔錠的偏析規(guī)律及GH4710合金的相變規(guī)律可知，在實(shí)際非平衡凝固條件下，沉淀強(qiáng)化元素 Al 、 Ti 主要為正偏析元素，主要在枝晶間形成 γ' 相或 γ/γ' 共晶相，如圖 6 所示，而合金中固溶強(qiáng)化元素Cr 、Co元素，在固相中富集，在液相中貧乏具有典型的負(fù)偏析特征。 GH4710合金元素的偏析規(guī)律主要取決于凝固過(guò)程的冷卻速率及非平衡相變的綜合作用。
結(jié)論
（ 1 ）不同冷卻速率下，GH4710合金的主要合金元素中，Ti元素的偏析程度最嚴(yán)重，Al 、Co 、Cr的偏析程度相對(duì)要輕。在低冷速時(shí)，Ti 、Al 、Co 、Cr 四種主要的偏析元素受冷速影響比較大，當(dāng)冷速超過(guò)3℃/min 時(shí)，Al 、Co 、Cr 的偏析系數(shù)受冷速變化的影響不明顯。（ 2 ） GH4710 合金鑄態(tài)組織主 要由 γ 基體、 γ'相、 γ+γ' 共晶相、碳化物 MC 以及 M 23 C 6 組成。 在實(shí)際非平衡凝固條件下， 沉淀強(qiáng)化元素 Al 、 Ti 主要為正偏析元素， 主要在枝晶間 形成 γ' 相或 γ/γ' 共晶相， 而合金中 固溶強(qiáng)化元素 Cr 、 Co 元素， 在固 相中富 集， 在 液相 中 貧乏， 具有 典型的 負(fù) 偏 析 特 征。GH4710 合金元素的偏析規(guī)律主要取決于凝固過(guò)程的冷卻速率及非平衡相變的綜合作用。
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