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初生碳化物及其强化作用

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《稀有金属材料与工程杂志》2016年第四期

摘要:

对K465和K492合金进行室温拉伸、高周疲劳和差热分析实验,使用扫描电镜和透射电镜观察和分析铸态K465和K492合金中初生碳化物的形态、类型及分布。研究铸态K465和K492合金中初生碳化物对合金强度的影响。结果表明,在K465合金中形成MC型初生碳化物,呈骨架状,对合金室温强度有利;在K492合金中也形成MC型初生碳化物,当碳化物呈尺寸较大的块状时,降低合金的高周疲劳强度;为弥散分布的细小颗粒时,提高合金的高周疲劳强度。

关键词:

高温合金;初生碳化物;高周疲劳强度

在镍基高温合金中,除了主要强化相γ′以外,初生碳化物的强化作用也比较显著。在不同化学成分的高温合金中,初生碳化物的类型和形态不同。在IN792合金中,初生碳化物主要为MC型,呈弥散分布的颗粒状,对合金的强化作用比较明显[1,2];在K465[3,4]、Mar-M247[5]、Mar-M200[6]合金中,初生碳化物主要为MC型,呈骨架形状,对合金的强化作用也较为明显;当浇注工艺不合理或成分控制不当时,合金中会产生一些形态不利于合金性能的初生碳化物[7-9],如在IN792合金中,会产生顺着晶界生长的膜状初生碳化物以及大块状的初生碳化物[2];在K465合金中,会产生类似针状的初生碳化物[4],这些形态的碳化物对合金性能造成灾难性的影响。此外,在单晶CMSX-4[10]、单晶PWA1483[11]和定向合金[12]中,也会产生微量的初生碳化物。这些微量的碳化物对单晶的力学性能不利。因此,初生碳化物对合金性能的影响不容忽视。本工作研究了2种最近几年应用的多晶铸造镍基高温合金K492和K465中初生碳化物的形态、分布、类型及其对合金强度的影响。K492是一种普通铸造镍基高温合金,含有W,Mo,Ta,Al,Ti,Cr等金属元素,平均C含量为0.15%(质量分数),主要在中、高温范围内使用,初生碳化物在后续热处理、服役过程中,对合金组织和性能影响较大。K465也是一种普通铸造镍基高温合金,含有较高的高熔点元素W,Mo,Nb等,平均C含量为0.18%(质量分数),主要在高温范围内使用,凝固过程中产生比K492合金更多的初生碳化物,对合金强度影响较大。初生碳化物是这2种合金中主要形成相之一,是影响高温合金部件使用寿命的重要因素之一。至今关于K492和K465合金中初生碳化物的特征、形态及作用方面的报道并不全面与系统。本工作研究K492和K465合金中初生碳化物的形成条件、形态、成分及其强化作用,对合金应用具有重要的指导意义。

1实验

实验合金K492的实测化学成分为(质量分数,%):13.5Cr,9.2Co,3.0Mo,7.1W,5.6Ta,4.3Al,3.5Ti,0.15C,余量为Ni。K465合金的实测化学成分为(质量分数,%):9.5Cr,9.1Co,2.2Mo,11.3W,1.0Nb,5.9Al,2.1Ti,0.18C,余量为Ni。采用真空感应熔炼母合金,并用精密铸造工艺制备成型试样,将母合金在真空感应炉中重熔后,在1500℃下浇注,获得有效尺寸为Φ7mm×70mm试样。用线切割切成尺寸为Φ7mm×8mm的半圆形试样,制备金相试样;并将Φ7mm×70mm试样加工成室温拉伸和高周疲劳试样。按国家标准GB/T228-2002进行室温拉伸试验,按国家标准GB3075-2008进行高周疲劳试验,从500MPa开始卸载,循环次数接近1×107时,每点取样品3个。室温拉伸试验在SANS-CMT5205型电子万能试验机上进行,横梁位移速率0.45mm/min;差热分析在SETSYSEvolution18差热分析仪上进行,升温速率5℃/min;高周疲劳试验在PLG-17C疲劳机上进行,温度550℃,应力比R=–1,频率120~130Hz,实验期间温度波动在±3℃;在LICA金相分析图像软件上进行初生碳化物的面积百分数测定。采用CuSO4腐蚀液对金相试样进行腐刻,腐蚀液组分及其体积分数为44%CuSO4+33%HCl+23%H2O。显微组织观察和分析分别在MF-3型光学显微镜(OM)和配有能谱(EDS)的Cambridge-S360型扫描电子显微镜(SEM)上进行。用双喷电解减薄法制成TEM样品,双喷电解液为8%高氯酸乙醇溶液,冷却剂为液氮,减薄条件为:温度低于零下20℃,电压为60V,电流为40mA。在配有能谱分析系统(EDS)的PhilipEM420的透射电子显微镜(TEM)上观察合金的微观结构。

2结果与讨论

图1a为K465合金的差热分析曲线。合金在1246℃时开始熔化,为合金的初熔点;在1286℃时,初生碳化物开始溶解;至1305℃时,γ开始熔化,到1345℃时,完全熔化。可见,K465合金中初生碳化物是在合金凝固之后形成的,温度为1286℃,为富W和Cr的MC型碳化物。图1b为K492合金的差热分析曲线。在1285℃时,γ开始熔化,到1334℃时,完全熔化。在1319℃时,碳化物生成。可见,K492合金中的初生碳化物形成在合金凝固之前,为1319℃,为富Ta的MC型碳化物。初生碳化物又称一次碳化物,是合金中第1次形成的碳化物。已经报道的初生碳化物有4种形态:第1种是在接近平衡状态下凝固时形成的,呈规则几何形状,尺寸较大,为多面体结构。这种初生碳化物在MarM247LC合金中容易形成[5];第2种呈长杆状或针状,在一种定向合金中存在这种形态[11];第3种形态是弥散分布的小颗粒状,在IN792合金中易形成[1,2];第4种是呈中国汉字形貌的初生碳化物,又称骨架状,出现在IN100[13]、IN738LC[14]、Mar-M200[6]、IN792[1]、K465[3,4]和一些单晶合金中[7,15,16]。在高温合金中,后2种形态的初生碳化物比较常见,对性能影响显著。

图2是K465合金中初生碳化物的形貌,为明显的骨架状,位于晶界和枝晶间区,富含W和Cr等元素。图2a是低倍照片上的碳化物,显示了碳化物的骨架分布形态;图2b是横切一排骨架后腐蚀出的形貌;图2c是沿骨架纵向平面上腐蚀出的形貌;图2d是沿骨架状碳化物任意某一角度显露出的形态。这种骨架结构对γ基体有加固和支撑作用,面积百分含量约为2.72%,对合金有较大的强化作用。含骨架状初生碳化物的铸态K465合金的室温抗拉强度和屈服强度分别为1000和870MPa;含块状和针状初生碳化物的铸态K465合金的室温抗拉强度和屈服强度分别为930和789MPa。可见,骨架状初生碳化物对合金强度有益。据报道,骨架状碳化物与γ基体具有一定的共格关系[3],因此与γ基体的界面粘合强度较大,当γ基体受力或变形时,对其有较强的阻碍作用,如同水泥中钢筋一样加固合金。而块状和针状初生碳化物与基体之间没有共格关系,二者之间的界面粘合强度较低,易开裂,故导致合金强度下降。图3为K492合金高周疲劳试验后试样纵剖面的组织结构。碳化物位于晶界和枝晶间区,呈小颗粒状,弥散分布(图3a),主要成分为Ta元素。图3b是断口附近的组织形貌,裂纹不但容易萌生在大尺寸的块状碳化物处,且沿其扩展。大尺寸块状碳化物在疲劳试验过程中容易与基体发生界面剥离,产生裂纹,且碳化物本身也容易产生裂纹。图3c显示了大块初生碳化物与界面发生剥离,产生孔洞;图3d进一步证明这种碳化物不但本身产生裂纹,而且与基体发生剥离,成为裂纹源和裂纹快速扩展的通道;而小尺寸碳化物没有与基体发生界面剥离,本身也未碎裂。

图4为高周疲劳试验后K492合金试样的TEM照片。在合金受力变形时,弥散分布的碳化物颗粒与位错发生反应。图4a为位错线切割碳化物。图4b为碳化物钉扎位错线。位错切割和绕过碳化物颗粒后都会造成应力的增加。式中,Δτ为屈服应力的增量,G为剪切模量,b为柏氏矢量,L为颗粒平均尺寸。可见,碳化物颗粒越小,对合金的强化效果越明显。实验发现(表1和表2),含有较多大块状的初生碳化物的K492合金在550℃时高周疲劳强度(循环次数达到1×107时)为229MPa,而主要含有弥散分布初生碳化物K492合金的高周疲劳强度为336MPa。在高周疲劳过程中,大尺寸的初生碳化物往往是裂纹的发源地,导致合金在较低的应力下就已经失稳。可见,在高温合金中,初生碳化物的弥散强化作用较为显著。

3结论

1)在铸态K465合金中形成富含W和Cr的MC型初生碳化物,在γ基体凝固之前生成,呈骨架状,对合金室温抗拉伸强度有利。2)在铸态K492合金中形成富含Ta的MC型初生碳化物,在γ基体凝固之后生成。当碳化物呈较大尺寸的块状时,降低合金的高周疲劳强度;为弥散分布的细小颗粒时,提高合金的高周疲劳强度。

作者:杨金侠 魏薇 刘路 唐杰 孙晓峰 胡壮麒 单位:中国科学院金属研究所

稀有金属材料与工程杂志责任编辑:杨雪    阅读:人次
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