2016, Vol. 24
GH 3625合金是20世纪50年代发展起来的，在650 ℃以下具有优异的高温蠕变性能、持久性能、抗氧化和抗腐蚀性能[1-4].在低温~1 095 ℃具有良好的强度和韧性[5-7]，被广泛应用于工业燃气轮机、核动力设备、化工厂和海水专用设备的管道系统，是航空、航天、核能、石油和化工等工业关键的零件材料[8-9].GH 3625合金是一种以钼(Mo)和铌(Nb)为主要强化元素的固溶强化型镍基变形高温合金，其合金化程度高，含有大量的Al、Ti、Nb和Mo等容易偏析的元素.均匀化处理是为了消除显微偏析, 获得均匀的化学成分，改善合金的热加工性能，充分发挥GH 3625合金性能潜力的关键工艺[10-16].
本文对双联工艺冶炼的GH 3625合金铸锭的元素偏析情况、均匀化过程中元素再分配以及均匀化动力学进行研究，为制定GH 3625合金的均匀化处理工艺提供参考.
1 实验实验用GH 3625合金，采用真空感应+电渣重熔双联工艺制备，合金的主要化学成分见表 1.在直径120 mm的电渣锭R/2处取样，规格为10 mm×10 mm×12 mm的方形试样.将试样分为2组，将第1组试样在1 130、1 140、1 150、1 160、1 170、1 180 ℃均匀化处理1 h，然后立即水淬；第2组试样在1 130 ℃分别保温4、8、16、32 h后立即水淬.将2组均匀化处理后的试样经机械抛光后，在30 mL HCl+10 mL HNO3+50 mL (甘油)溶液中进行电解腐蚀(电解参数15 V，10 s).分别采用ZEISS金相显微镜(OM)和配置有牛津INCA能谱仪的型号JSM-6700场发射扫描电子显微镜(SEM)测量枝晶间距，观察显微组织；利用EDS能谱仪进行微区成分分析，并对析出相进行鉴定；利用Image-Pro Plus软件对偏析相进行定量分析.
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表 1 GH 3625镍基高温合金的化学成分(质量分数/%) Table 1 Chemical composition of GH 3625 alloy (mass fraction/%) |
GH 3625合金电渣锭显微组织如图 1所示，可以明显看到一次枝晶和二次枝晶.由图 1(a)可知，GH 3625合金电渣锭的横截面枝晶相互交错呈网格状.由图 1(b)可知，GH 3625合金电渣锭的纵截面树枝晶具有明显的方向性，这与电渣过程中熔池的深度和冷却速率有很大关系.通过金相测量得到，一次枝晶臂间距为162.5 μm，二次枝晶臂间距为27.1 μm.
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图 1 GH 3625合金铸态显微组织 Figure 1 Microstructures of as-cast GH 3625 alloy:(a) Cross section; (b) Longitudinal section |
GH 3625合金中的显微偏析相分布如图 2所示.由图 2(a)可知，GH 3625合金的显微偏析存在于枝晶间.在铸锭中选择不同的区域做EDS点分析，得到图 3(a)、3(b)和3(c).
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图 2 GH 3625合金铸锭偏析相分布 Figure 2 Segregation phase of cast GH 3625 alloy:(a) OM; (b) Image-Pro |
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图 3 GH 3625合金铸锭偏析EDS点分布 Figure 3 EDS point distribution for GH 3625 alloy as-cast:(a) Periphery; (b)1/2 radius; (c) Center |
由图 3可知，GH 3625合金铸锭中存在富Nb、Cr、Mo、Al等元素偏析相，还发现一些碳化物.采用Image-Pro Plus软件对图 2(a)中GH 3625合金电渣铸锭组织进行颜色分离，得到图 2(b).图 2(b)中黑色区域为枝晶间偏析相，对图 2(b)黑色区域进行统计计算，得到枝晶间偏析相的体积分数为3.35%.对枝晶干和枝晶间进行EDS线分析，结果如图 4所示.由图 4可知，偏析相主要成分为Nb、Mo、Ti等元素，GH 3625合金中Nb和Mo的质量分数分别高达3.44%和8.58%.这些Nb、Mo、Ti等合金元素的加入，虽然能提高合金的强度和耐蚀性，但合金化程度的提高会使GH 3625合金的变形抗力增加，在液相凝固过程中容易产生比较严重的枝晶微观偏析.
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图 4 GH 3625合金铸锭偏析EDS线分布 Figure 4 EDS Line scanning for GH 3625 alloy as-cast |
有报道表明：在Nb含量较高的合金液相凝固过程中，由于Nb在残余液相中偏聚使其含量倍增，常伴随Laves相出现，Laves相为脆性相, 会明显降低合金的冲击性能和塑性，不利于合金的开坯[17].
采用EDS能谱仪对枝晶干和枝晶间的元素含量进行测定，并计算偏析系数K (K=枝晶间元素平均成分/直径干元素平均成分)来表征GH 3625合金元素偏析程度，结果见表 2.Nb、Mo、Ti、Al等元素偏析系数大于1，在枝晶间富集，为正偏析元素；而Cr偏析系数小于1，在枝晶干富集，为负偏析元素.
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表 2 GH 3625合金铸锭主要元素在不同位置的含量(质量分数/%) Table 2 The main element composition of GH 3625 alloy ingot (mass fraction/%) |
不同元素的偏析程度为：Nb>Mo>Ti>Al>Cr.Nb、Mo、Ti、Al在枝晶间的大量富集，使得Laves等多种非平衡相在枝晶间析出.通过对枝晶间的偏析相分析可知，GH 3625合金铸锭存在明显的枝晶间偏析，因此，必须对GH 3625合金铸锭进行均匀化处理, 以消除Nb、Mo、Ti等元素引起的显微偏析，使有害析出相回溶.
2.2 均匀化过程中组织分析及元素再分配GH 3625合金铸锭在不同温度下均匀化1 h后的显微组织如图 5所示.与图 1铸态组织相比，在不同温度下经过1 h均匀化处理的组织形貌发生明显变化，可以清楚地看到，枝晶明显消熔，但还未完全消除，均匀化不完全.同样，采用Image-Pro Plus软件对图 5(a)~5(f)中枝晶间的偏析相进行统计，结果如图 6所示.由图 6可知，随着温度的不断升高，枝晶间的偏析相逐渐减少.
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图 5 GH 3625合金在不同温度下均匀化处理1 h的组织 Figure 5 Microstructures of GH 3625 alloy at different temperatures homogeneous for 1 h: (a)1 130 ℃; (b)1 140 ℃; (c)1 150 ℃; (d)1 160 ℃; (e)1 170 ℃; (f)1 180 ℃ |
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图 6 GH 3625合金在不同温度下均匀化处理1 h的枝晶间相体积分数 Figure 6 Volume fraction of inter-dendritic region of GH 3625 alloy at different temperatures homogeneous for 1 h |
从微观角度分析，Laves相的回溶实际上是Laves相中溶质原子向枝晶干区域扩散的结果，而晶体中的原子进行扩散时不论按间隙机制、交换机制还是空位机制进行，均需克服一定的能垒才能实现原子从一个平衡位置到另一个平衡位置的跃迁.因此，提高均匀化温度无疑为即将扩散的原子提供了更多能量，使得原子扩散加快，扩散系数增加，继而表观上表现为Laves相回溶速度加快.
2.3 均匀化动力学研究GH 3625合金铸锭在1 130 ℃下不同时间均匀化处理后的显微组织变化如图 7所示，其中，图 7(a)~7(d)为金相显微组织, 图 7(e)~7(h)为SEM照片，可以看出，随着均匀化时间的增加，枝晶结构明显消除.经过32 h时，由能谱分析仪(EDS)检测发现，Laves相基本消除溶入基体，只剩下少量的碳化物MC.同时，与未进行均匀化处理样品中的碳化物MC相比，碳化物的形貌和位置均发生明显变化.MC从棱角分明的块状变为颗粒状，尺寸变小，偏聚于晶界.显然，均匀化过程中碳化物的形态转变有利于提高GH 3625合金的热加工性能.
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图 7 GH 3625合金在1 130 ℃不同时间均匀化处理后的金相照片(a~d)和SEM照片(e~h) Figure 7 Metallograph (a~d) and SEM photo (e~f) of GH 3625 alloy at 1 130 ℃ of different homogenization time:(a)(e)4 h; (b)(f)8 h; (c)(g)16 h; (d)(h)32 h |
采用EDS能谱分析仪对1 130 ℃下均匀化处理不同时间的试样进行微区成分检测.为减小误差，采用多区域测量取平均值，并计算偏析系数K，如图 8所示.均匀化32 h后，主要偏析系数变为：KNb=1.02，KMo=1.01，KTi=1.03，KCr=0.98，KAl=1.04，由此可知枝晶间偏析元素扩散均匀.
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图 8 均匀化过程中偏析系数K值变化 Figure 8 Change of K value when homogenized at 1 130 ℃align="center" |
采用Image-Pro Plus软件对GH 3625合金在1 130 ℃下不同时间均匀化处理后的偏析相进行统计，通过定量分析得到均匀化过程中Laves相体积分数的变化如图 9所示.
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图 9 GH 3625合金在1 130 ℃下随均匀化处理时间变化的均匀化动力学 Figure 9 Kinetics of GH 3625 alloy homogenized at 1 130 ℃ with time-varying |
由图 9可知，该曲线呈明显的指数函数特征，线性拟合后的关系为
| ${V^{{{1130}^ \circ }C}} = 0.0335epx\left( {-{K_t}t} \right).$ | (1) |
式中：t为均匀化时间，h，当t=0时(未均匀化)，Laves相的体积分数为3.35%；Kt定义为Laves相的回溶系数，其值随均匀化温度的改变而改变，1 130 ℃时，Kt为0.163 1.通过偏析系数的变化以及均匀化动力学线性拟合曲线可知，GH 3625合金铸锭在1 300 ℃处理32 h后，基本可以消除元素显微偏析，使得低熔点相回溶.
3 结论1) 均匀化处理前GH 3625合金存在明显的枝晶组织.GH 3625合金电渣锭存在富Nb、Cr、Mo、Al等元素的Laves相以及少量的碳化物MC.Nb、Mo、Ti、Al等元素在枝晶间富集，Cr在枝晶干富集.不同元素的偏析程度为Nb>Mo>Ti>Al>Cr.
2) 均匀化处理后，枝晶间偏析相逐渐减少，碳化物由块状变为颗粒状.均匀化处理制度为1 130 ℃×32 h时，枝晶组织逐渐消除，Laves相回溶.
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