一种新型高温合金凝固组织和元素偏析行为研究

采用热力学平衡模拟计算、差热分析(DTA)和等温凝固淬火试验(ISQ)相结合的方法对一种新型镍基高温合金K4750合金的凝固组织和主要元素的偏析行为进行研究。结果表明,实际K4750合金的固相线温度为1270℃,液相线温度为1350℃,MC型碳化物析出温度为1320℃;凝固顺序为L→γ(1350℃),L→γ+MC(1320℃)。K4750合金在凝固初期凝固速度较快,液相体积分数下降明显,凝固后期速度开始变慢,在1310～1290℃温度区间内枝晶间连通残余液相开始断开,同时会有大块状的MC相析出,进一步阻碍液相的连通,从而极易导致合金凝固疏松的形成。合金中W、Fe、Cr的溶质分配系数大于1,富集于枝晶干,为负偏析元素;Ti、Nb、C、Mo的溶质分配系数小于1,富集于枝晶间的液相中,为正偏析元素。     

一种镍基单晶合金的凝固行为

采用等温凝固方法研究了单晶镍基合金的凝固区间,利用DSC测试了合金的凝固曲线。结果表明:实验合金的液相线温度约为1380℃,固相线温度约为1310℃。合金的凝固顺序为:Lγ,L MC;γγ′;Lγ+MC。单晶合金的铸态组织中,W偏析于枝晶干,Ti、Cr、Mo和Ta偏析于枝晶间,偏析程度为:MoTiCrTa,Al和Co几乎不发生偏析。1314℃1382℃1361℃1325℃     

铸态GH742合金的凝固特点及枝晶偏析

高合金化GH742合金存在严重的枝晶偏析,Nb、Ti大量偏聚于枝晶间,导致MC碳化物、(γ+γ′)共晶、Laves相、δ相等析出;高Mo含量及其枝晶间偏析是析出σ相的重要原因;La、Ce在枝晶间的富集促使含氧硫稀土相和Ni5Ce相的析出。与一般合金凝固特点不同,高含量Al、Ti、Nb导致GH742合金凝固过程中先后发生(γ+γ′)和(γ+Laves)两种类型的共晶反应。结合差热分析技术和凝固组织特点确定了合金的凝固温度区间为1346-1190℃,凝固顺序为γ、MC、(γ+γ′)、Laves、Ni5Ce。     

高Cr铸造镍基高温合金K4648凝固行为的研究

采用等温凝固淬火工艺与差热扫描量热相结合的方法对高Cr铸造镍基高温合金K4648的凝周过程进行研究,得到合金在不同温度下的等温凝固组织、相析出顺序图和凝固特性曲线.结果表明:K4648合金的液相线温度为1340℃,由DSC确定的宏观同相线(3.1%残余液相,体积分数,下同)和等温凝固泫确定的微观固相线(0.5%残余液相)温度分别为1248和1180℃.K4648合金固、液相线温度范围内的初生相主要为MC碳化物和α-Cr相,它们的析出温度分别为1310和1190℃.初生α-Cr相同溶30%(原子分数)以上的Ni,显微硬度是基体的3倍,是一种脆性相.凝固过程中Cr的严重枝晶间偏析促进了该相的形成,初生α-Cr相在铸造过程中应加以控制.     

一种Ni-Fe-Cr基合金的凝固特征和偏析行为研究

采用定向凝固技术结合液淬法研究了一种Ni-Fe-Cr基合金平界面和枝晶生长条件下的凝固特征和溶质偏析行为。结果表明,合金的组成相为γ基体、MC型碳化物和γˊ沉淀强化相,凝固顺序为L→L+γ→L+γ+MC→γ+γˊ+MC。平界面生长条件下淬火界面两侧溶质含量测定结果表明, Ti、Nb和Mo元素富集于液相,溶质分配系数小于1。Fe元素富集于固相,溶质分配系数大于1。Al和Cr元素在液固两相中浓度差别较小,溶质分配系数接近1。此外,固/液界面前沿存在溶质边界层,边界层内溶质原子通过扩散传输,边界层外主要借助流动传输。枝晶与平界面生长的溶质偏析行为基本一致,然而,枝晶生长时糊状区残余液相中溶质浓度与平界面生长时固/液界面前沿溶质浓度存在显著差别。枝晶生长条件下糊状区溶质偏析程度显著高于稳态生长区,固相反扩散和MC型碳化物的析出显著降低枝晶偏析程度。     

偏析对DZ483镍基高温合金糊状区内液相密度的影响

为研究DZ483合金在凝固过程中的元素偏析行为对糊状区内液相密度的影响,采用等温凝固结合水淬法对合金进行不同温度下的凝固实验.利用OM和SEM观察试样的凝固组织,利用EDS测量固相和剩余液相的元素含量,并根据剩余液相的成分计算其密度.结果表明,DZ483合金的开始凝固温度略低于1335℃,在1325℃液相中开始析出富含Ta和Ti的MC;W和Co为负偏析元素,Mo,Ta和Ti为正偏析元素,而Al和Cr几乎不发生偏析;剩余液相的密度随温度降低基本呈下降趋势,但在1325至1315℃之间有所回升.计算结果表明,温度对液相密度的影响很小,合金元素的偏析对液相密度的影响占主要地位.其中,Mo和Ta的偏析导致液相密度增加,而Ti和W的偏析导致液相密度明显降低.备合金元素的偏析对密度变化的贡献由大到小顺序为:Ti>Ta>W>Cr>Mo>Al>Co.MC的形成消耗了大量的Ti和Ta,对合金元素的偏析造成一定的影响,从而导致液相密度在1325至1315℃之间有所增加.     

镍基高温合金GH4282的凝固和偏析行为

采用差示扫描量热（DSC）分析、显微组织观察和热力学计算相结合的方法对镍基高温合金GH4282的凝固过程和元素偏析行为进行研究,得到了合金的凝固顺序以及元素偏析特征。结果表明,GH4282合金的凝固顺序为：γ基体、MC碳化物以及少量的硼化物。由DSC测得的合金GH4282合金的固-液相温度范围为1316~1367 ℃,MC、M6C型碳化物和γ′相的溶解温度分别为1338 ℃、1092 ℃和1003 ℃。热力学计算结果表明,GH4282合金在凝固过程C、B、Ti和Mo偏聚于枝晶间,Al偏析于枝晶干,Cr、Fe和Co几乎不发生偏析,这与铸态组织观察到的元素偏析特征是一致的。     

铝对镍基高温合金凝固行为的影响

利用等温凝固方法研究了铝对镍基合金凝固行为的影响。结果表明:Al合金元素扩大了镍基单晶高温合金的凝固温度区间。Al含量由7.5%提高到8.5%时,合金的液相线温度由1370℃降低到1360℃,固相线温度由1300℃降低到1280℃;Al使单晶合金的枝晶形貌由柱状树枝晶向胞状树枝晶发展。     

以Mo代W对单晶高温合金组织、凝固特性与错配度影响的热力学研究

基于d电子原理,设计了高W强化Ni基单晶高温合金Alloy W和高Alloy Mo强化Ni基单晶高温合金Mo。热力学计算的结果表明,以Mo代W降低了γ'相的高温组织稳定性、液相线温度和固相线温度,但对结晶温度区间的影响较小。在单晶高温合金凝固过程中,以Mo代W降低了Al元素的显微偏析倾向,但对Re和Ta元素显微偏析行为的影响较小。同时,W和Mo在凝固时分别显著偏析于已凝固的固相和未凝固的液相。此外,以Mo代W增大了γ相和γ'相的晶格常数,并降低了γ/γ'错配度。     

GH141合金的凝固偏析特性及均匀化处理

利用光学显微镜、扫描电镜及能谱分析仪分析了经真空感应+真空自耗冶炼的GH141合金自耗锭的铸态组织及凝固偏析特性,并研究了均匀化处理温度和时间对GH141合金微观组织、析出相、元素偏析情况的影响规律。结果表明,GH141合金铸锭存在明显枝晶偏析,Ti、Mo偏聚于枝晶间,Al、Co、Cr偏聚于枝晶干;枝晶间主要析出相为MC和M₆C+M₂₃C₆碳化物。在均匀化过程中,随着均匀化温度的升高和时间的延长,枝晶组织消除、碳化物回溶、偏析元素逐渐扩散均匀;经1190 ℃×48 h均匀化处理后,合金成分基本均匀,大部分碳化物已回溶。     

GH2132高温合金熔敷金属结晶裂纹敏感性

针对GH2132高温合金熔敷金属热裂纹敏感性问题,通过采用试制焊丝、熔敷金属焊接试验、组织及断口分析、凝固计算等手段对熔敷金属组织、凝固行为、开裂机制等进行了研究. 结果表明,试验熔敷金属金相组织主要由柱状树枝晶γ相(NiCrFe固溶体)、枝晶间富Ti的Laves相(Cr,Fe,Ni)₂ (Ti,Mo)、MC碳化物与共晶组织组成,凝固路径为L→L + γ→L + γ + MC→L + γ + MC + Laves→γ + MC + Laves,裂纹断口呈典型的鹅卵石共晶花样,整个断口形貌被呈自由表面的液膜所覆盖,属于发生在高温段的结晶裂纹. 结晶裂纹开裂机理为在凝固过程的终了阶段,发生了L→γ + Laves的低熔点共晶反应,在凝固收缩应力作用下,残余液相未及时补充而形成. Laves相的形成主要与凝固过程中Ti元素的偏析有关,理论计算结果表明,GH2132结晶裂纹指数(solidification cracking index, SCI)值为1944 ℃,(solidification temperature range, STR)为258 ℃,在结晶裂纹敏感性评价方面,相比STR,SCI指标能相对更为合理地实现结晶裂纹敏感性的量化评价,但仍存在考虑因素不全等问题.     

Effects of Homogenization Treatment on the Microsegregation of a Ni–Co Based Superalloy Produced by Directional Solidification

To reduce microsegregation,a series of homogenization treatments were carried out on a Ni-Co based superalloy prepared through directional solidification(DS).The element segregation characteristics and microstructural evolution were investigated by optical microscopy(OM),scanning electron microscopy(SEM),and electron probe microanalysis(EPMA).The results show that the elements are non-uniformly distributed in the solidified superalloy,in which W and Ti have the greatest tendency of microsegregation.Furthermore,severe microsegregation leads to complicated precipitations,including η-Ni_3Ti and eutectic(γ+γ').EPMA results show that Al and Mo are uniformly distributed between the eutectic(γ+γ')and γ matrix,whereas Ti is segregated in the eutectic(γ+γ') and η phases.The positive segregation element Ti,which is continuously rejected into the remaining liquid during γ matrix solidification,promotes the formation of eutectic(γ+γ') and the transformation of the η phase.According to the homogenization effect,the optimal single-stage homogenization process of this alloy is 1180 ℃ for 2 h because of the sufficient diffusion segregation of the elements.In the present study,a kinetic diffusion model was built to reflect the degree of element segregation during homogenization,and the diffusion coefficients of W and Ti were estimated.     

FH96高温合合金的凝固过程及元素平衡分配系数的研究

基于Scheil-Gulliver凝固模型,采用热力学计算软件Thermo-Calce及相应的Ni基数据库,对FGH96高温合金的凝固过程进行了热力学模拟计算,以揭示FGH96合金凝固过程中各相的析出规律,及凝固过程中各元素的偏析行为;并用Scheil-Gulliver方程对残余液相中各合金元素的质量分数随固相分数的变化进行回归,得到了各元素的平衡分配系数.结果表明,在FGH96合金凝固过程中,当固相分数达到0.7、0.94、0.98时由残余液相中分别开始析出MC型碳化物、TCP相、γ′相;B、C、Mo、Nb、Ti、Zr、Si的平衡分配系数小于1,而Co、Cr、W、Fe、Al的平衡分配系数大于1.     

增压涡轮用镍基高温合金的凝固特性和热裂倾向性

研究了增压涡轮用镍基高温合金K418和K419的凝固特性和热裂倾向性。同时研究了合金元素的偏析行为和析出相。结果表明,凝固末期多种强枝晶间偏析元素在液相中的偏聚导致K419合金的凝固行为较K418复杂。多种元素在枝晶间剩余液相中的偏聚导致K419合金的液相线极低。K419合金凝固过程中漫长的剩余液相期的存在严重削弱了枝晶间结合力,增加了其热裂倾向性。基于一种热裂敏感区模型提出热裂倾向性系数判据,K419合金的热裂倾向性系数高于K418合金。     

一种核电用镍基合金焊丝熔敷金属的组织与性能

通过采用JMatPro软件，OM，SEM，TEM等手段分析了试制镍基合金焊丝GTAW熔敷金属的组织与力学性能. 结果表明:试验焊丝熔敷金属金相组织主要由柱状树枝晶γ相(NiCrFe固溶体)、枝晶间富Mo和Nb的偏析γ相以及枝晶间分布的(Nb,Ti)C碳化物、(Ni,Cr,Fe)₂(Nb,Mo)型Laves相、MoCrFe型σ相等组成. Mo，Nb等元素在组织中存在偏析现象，相比于焊丝化学成分，熔敷金属中枝晶干γ相Fe含量较高，Mo，Nb含量较低，而枝晶间Mo，Nb含量较高、Fe含量较低. 熔敷金属室温、350 ℃高温抗拉及屈服强度较高、塑性较好，室温拉伸断口形貌以沿晶分布的韧窝为主，在韧窝底部存在密集的析出相.     

均匀化工艺对GH5188合金组织及力学性能的影响

利用JMatPro软件、金相显微镜、扫描电镜、能谱分析以及高温拉伸、高温压缩试验等方法,分析GH5188合金铸锭的溶质元素偏析规律、均匀化热处理过程的微观组织演变规律及均匀化过程对GH5188合金力学性能的影响。研究表明,GH5188合金的主要析出相为M₆C和M₂₃C₆,合金中的主要正偏析元素为W和Cr,负偏析元素为Ni和Co。采取1200℃×72 h的均匀化工艺,可以有效消除原始铸态块状析出相,消除W、Cr、Ni、Co等元素偏析,达到最合适的均匀效果。均匀化热处理后,GH5188合金的力学性能得到了提升,在1180℃拉伸、压缩条件下,抗拉强度达到158 MPa,变形抗力为244.29 MPa。     

A solidification model for prediction of castability in the precipitation-strengthened nickel-based superalloys

The Scheil equation was used to model the solidification path, microsegregation of alloying elements in the interdendritic regions, solidification temperature ranges, and to predict the formation of secondary structures and the castability behavior of as-cast superalloys. 4 experimental alloys with pre-specified γ-Ti,Nb,Al,Mo composition containing different Nb, Ti and Al contents were designed using vacuum induction melting furnace. The produced as-cast superalloys were characterized using optical and scanning electron microscopy equipped with energy dispersive X-ray spectrometer and TG–DSC analysis. The experiments showed logic conformity to the modeling results. The model and experiment confirmed the highest segregation behavior for Ti and Nb. All the experimental superalloys indicated the remarkable tendency to form secondary eutectic structures at the last stages of solidification. Superalloy with chemical composition of γ-3.5%Mo,1.8%Al,4%Ti,2.9%Nb showed the shorter solidification temperature range and the best castability.