于振龍，宋 亮，關(guān)懿航，肖 旋

(沈陽理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159)

K3625高溫合金微觀組織的研究

于振龍，宋 亮，關(guān)懿航，肖 旋

(沈陽理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159)

實(shí)驗(yàn)合金為通過真空感應(yīng)爐冶煉的不同Al、Ti和B含量的K3625合金。采用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察固溶態(tài)IN625合金微觀組織，用能譜儀(EDS)和透射電鏡(TEM)對(duì)合金進(jìn)行析出相鑒定，并研究Al、Ti和B元素的添加對(duì)合金微觀組織的影響。結(jié)果表明：K3625合金鑄態(tài)凝固組織為樹枝晶結(jié)構(gòu)，一次和二次枝晶都比較明顯，沒有三次枝晶；合金中析出的第二相都是富含Nb元素的MC。添加0.2%Al和0.2%Ti元素對(duì)合金枝晶組織和析出相影響很??；而添加0.04%B元素能夠促進(jìn)二次枝晶臂的生長，增大二次枝晶間距。

K3625高溫合金；枝晶組織；析出相；合金化

K3625高溫合金是從GH3625合金發(fā)展而來的一種鑄造高溫合金。而GH3625合金是國外的Inconel625變形高溫合金國產(chǎn)化而來。Inconel625合金從20世紀(jì)50年代開始研發(fā)，最初研發(fā)Inconel625高溫合金是為了滿足超臨界蒸汽發(fā)電站蒸汽管道系統(tǒng)對(duì)材料的苛刻要求[1]。Inconel625是一種以Cr、Mo和Nb為主要強(qiáng)化元素的鎳基變形高溫合金[2-4]。它的最高使用溫度為950℃。該合金具有優(yōu)良的拉伸性能、抗疲勞性能、加工性能、焊接性能和抗腐蝕性能。鑒于Inconel625高溫合金的良好性能，國際上紛紛將鑄造IN625合金作為700℃超超臨界機(jī)組候選材料進(jìn)行研究[5]，這是由于Inconel625合金是一種變形高溫合金，不能滿足700℃超超臨界機(jī)組上精密部件和大型部件的要求。而精密部件和大型部件可以通過鑄造工藝制得，并且，鑄造合金可以通過添加更多的合金元素來獲得更好的性能。我國也將研究比較成熟的GH3625變形合金發(fā)展成為鑄造合金，并命名為K3625。同時(shí)，將它作為我國700℃超超臨界機(jī)組的候選材料[6]。本文研究普通鑄造高溫合金K3625鑄態(tài)微觀組織和Al、Ti和B元素對(duì)組織的影響，為我國700℃超超臨界火電機(jī)組鍋爐用材料的研發(fā)提供理論支持。

1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)選取四種成分的K3625合金試樣，分別命名為NO.1、NO.2、NO.3、NO.4，將鑄態(tài)合金取樣加工成1.5cm×1.5cm×1.0cm塊狀樣品，然后研磨、拋光并腐蝕。K3625合金采用電解腐蝕，腐蝕液的成分為5g草酸+95mL鹽酸，電解腐蝕在10V電壓下進(jìn)行，腐蝕時(shí)間為30s。合金微觀組織觀察在HitachiS-3400N掃描電鏡(SEM)上進(jìn)行，并采用能譜儀(EDS)和透射電鏡(TEM)對(duì)合金析出相進(jìn)行鑒定。K3625合金的化學(xué)成分見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)合金的化學(xué)成分 wt%

2 結(jié)果與討論

圖1為鑄態(tài)K3625合金的微觀組織。

圖1 鑄態(tài)K3625合金微觀組織圖

從圖1可以看出，四種合金試樣的凝固組織都是樹枝晶結(jié)構(gòu)。圖中淺色區(qū)域?yàn)橹чg，深色區(qū)域?yàn)橹Ц?。合金的樹枝晶結(jié)構(gòu)中有一次和二次枝晶臂，沒有三次枝晶臂。對(duì)比圖1中圖a、b、c、d可以看出，NO.2和NO.4合金的二次枝晶臂比NO.1和NO.3合金的二次枝晶臂發(fā)達(dá)。NO.2、NO.4與NO.1、NO.3合金的區(qū)別在于NO.2、NO.4合金中添加了0.04%B元素，從以上分析可以初步得出添加0.04%B元素能夠使K3625合金二次枝晶臂發(fā)達(dá)，增大合金二次枝晶間距的結(jié)論。四種合金試樣枝晶間區(qū)域都有大量的析出相。

圖2為K3625合金中析出相的SEM圖片以及能譜(EDS)和透射(TEM)分析結(jié)果。

圖2 K3625合金中析出相的形態(tài)和鑒定結(jié)果

從圖2a可以看出，合金中析出的第二相主要呈塊狀和短棒狀，尺寸為5μm左右。從能譜分析結(jié)果(圖2b)可以看出，析出相是一種富含Nb元素的相，通過標(biāo)定析出相透射電鏡選區(qū)衍射斑點(diǎn)(圖2b)，確定析出相為MC型碳化物。綜合分析EDS和TEM結(jié)果，可以確定鑄態(tài)K3625合金中析出的第二相為MC型NbC。對(duì)四種合金試樣中析出相金相大量的能譜分析，發(fā)現(xiàn)合金中的第二相都是NbC，沒有檢測(cè)到其它成分的第二相。這是由于K3625合金為固溶強(qiáng)化型高溫合金，合金中加入的Al和Ti含量較低，不足以形成沉淀強(qiáng)化型高溫合金中的常見的γ′相。同時(shí)合金中添加的B元素也很少，完全固溶到了基體中，所以也沒有形成硼化物等相。

表2和表3中分別列出了K3625合金主元素偏析數(shù)據(jù)和二次枝晶間距。

表2 四種合金試樣的主元素偏析比

表3四種合金試樣的二次枝晶間距 μm

由表2可以看出，K3625合金四種主元素都是正偏析元素，NO.1、NO.2、NO.3、NO.4合金中四種主元素的偏析比差別很小，說明0.2%Al、0.2%Ti和0.04%B元素的添加對(duì)K3625合金主元素的偏析比影響不大。由表3可以看出，NO.2和NO.4合金二次枝晶間距比NO.1和NO.3合金的二次枝晶間距大了10μm左右。而NO.1和NO.3合金以及NO.2和NO.4合金的二次枝晶間距相差很小。從以上分析可以得出結(jié)論：添加0.2%Al和0.2%Ti元素對(duì)二次枝晶間距影響很小，而添加0.04%B元素能夠增大二次枝晶間距。這主要是由于B元素在基體中的溶解度很低，合金凝固過程中B元素被排斥到枝晶凝固前沿[7]，增大了局部凝固溫度范圍，延長了局部凝固時(shí)間。而二次枝晶間距直接依賴于合金的局部凝固時(shí)間，冷卻速度與局部凝固時(shí)間的關(guān)系見式(1)[8]。

(1)

式中：CR為冷卻速度；ΔTs為非平衡凝固溫度范圍；tf為局部凝固時(shí)間。

二次枝晶間距與局部凝固時(shí)間的關(guān)系見式(2)[8]。

(2)

四種合金試樣冷卻方式一樣，所以CR相同，而偏析于枝晶凝固前沿的B元素增大了ΔTs，由式(1)得出局部凝固時(shí)間tf延長，根據(jù)式(2)可以推出λ變大，即二次枝晶間距增大。

3 結(jié)論

(1)普通鑄造K3625合金凝固組織為樹枝晶結(jié)構(gòu)；該合金中析出的第二相為MC型NbC，尺寸為5μm左右。

(2)添加0.2%Al、0.2%Ti和0.04%B元素對(duì)K3625合金的析出相、主元素的偏析影響都很??；添加0.04%B元素能夠使二次枝晶臂發(fā)達(dá)，從而增大二次枝晶間距。

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(責(zé)任編輯：馬金發(fā))

Study on Microstructure of K3625 Alloy

YU Zhenlong,SONG Liang,GUAN Yihang,XIAO Xuan

(Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

K3625 alloy with different Al,Ti and B contents was fabricated by vacuum induction furnace.The microstructure of K3625 alloy was observed by SEM,and the identification of precipitation phases was carried out by TEM and EDS.In addition,the effect of Al,Ti and B on microstructure of K3625 alloy was investigated.The results show that the solidification structure of K3625 alloy is dendrite structure.The alloy has obvious primary and secondary dendrite arms.And no tertiary dendrite arms can be observed.Precipitated phases in K3625 alloy are primary MC carbides enriched with Nb.The addition of 0.2% Al and 0.2%Ti has little influence on the dendrite structure and precipitated phases of K3625 alloy.The spacing of secondary dendrites is increased by the 0.04%B addition.

K3625 superalloy;dendrite structure;precipitated phase;alloying

2014-11-25

于振龍(1988—)，男，碩士研究生；通訊作者：肖旋(1966—)，女，副教授，工學(xué)博士，研究方向：高溫合金.

1003-1251(2015)06-0038-04

TG113.12

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