丁雨田，李海峰，王 偉，劉建軍，郭廷彪，胡 勇

（省部共建有色金屬先進加工與再利用國家重點實驗室（蘭州理工大學(xué)），蘭州730050）

鑄錠GH3625合金微觀偏析及均勻化熱處理

丁雨田，李海峰，王 偉，劉建軍，郭廷彪，胡 勇

（省部共建有色金屬先進加工與再利用國家重點實驗室（蘭州理工大學(xué)），蘭州730050）

為消除鑄態(tài)GH 3625合金的顯微偏析，改善其熱加工性能，建立其均勻化動力學(xué)并制訂均勻化處理制度，采用Image?Pro Plus軟件、掃描電鏡（SEM）和能譜分析儀（EDS），對通過真空感應(yīng)熔煉和電渣重熔雙聯(lián)工藝制備的GH 3625合金電渣錠的顯微組織及元素偏析情況進行分析和研究.同時，對鑄態(tài)GH 3625合金在不同溫度下同一時間及同一溫度下不同時間進行了均勻化處理.結(jié)果表明：GH 3625合金電渣錠存在明顯的枝晶間微觀偏析，主要偏析元素為Nb、Mo等，形成富Nb的Laves相、MC碳化物；不同元素的偏析程度為Nb＞Mo＞Ti＞Al＞Cr；Nb、Mo、Ti、Al在枝晶間大量富集，使得Laves等多種非平衡相在枝晶間析出；在均勻化過程中，隨著均勻化溫度的升高和時間的延長，偏析元素逐漸擴散均勻；當(dāng)熱處理制度為1 130℃×32 h時，元素偏析基本消除；Laves相體積分?jǐn)?shù)隨均勻化處理時間呈明顯指數(shù)函數(shù)特征，V1130℃＝0.033 5exp（－0.163 1t）.

GH 3625合金；顯微偏析；均勻化處理；Laves相；碳化物

GH 3625合金是20世紀(jì)50年代發(fā)展起來的，在650℃以下具有優(yōu)異的高溫蠕變性能、持久性能、抗氧化和抗腐蝕性能［1－4］.在低溫～1 095℃具有良好的強度和韌性［5－7］，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)燃?xì)廨啓C、核動力設(shè)備、化工廠和海水專用設(shè)備的管道系統(tǒng)，是航空、航天、核能、石油和化工等工業(yè)關(guān)鍵的零件材料［8－9］.GH 3625合金是一種以鉬（Mo）和鈮（Nb）為主要強化元素的固溶強化型鎳基變形高溫合金，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.均勻化處理是為了消除顯微偏析，獲得均勻的化學(xué)成分，改善合金的熱加工性能，充分發(fā)揮GH 3625合金性能潛力的關(guān)鍵工藝［10－16］.

本文對雙聯(lián)工藝冶煉的GH 3625合金鑄錠的元素偏析情況、均勻化過程中元素再分配以及均勻化動力學(xué)進行研究，為制定GH 3625合金的均勻化處理工藝提供參考.

1 實 驗

實驗用GH 3625合金，采用真空感應(yīng)＋電渣重熔雙聯(lián)工藝制備，合金的主要化學(xué)成分見表1.在直徑120 mm的電渣錠R/2處取樣，規(guī)格為10 mm×10 mm×12 mm的方形試樣.將試樣分為2組，將第1組試樣在1 130、1 140、1 150、1 160、1 170、1 180℃均勻化處理1 h，然后立即水淬；第2組試樣在1 130℃分別保溫4、8、16、32 h后立即水淬.將2組均勻化處理后的試樣經(jīng)機械拋光后，在30 mL HCl＋10 mL HNO3＋50 mL（甘油）溶液中進行電解腐蝕（電解參數(shù)15 V，10 s）.分別采用ZEISS金相顯微鏡（OM）和配置有牛津INCA能譜儀的型號JSM－6700場發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM）測量枝晶間距，觀察顯微組織；利用EDS能譜儀進行微區(qū)成分分析，并對析出相進行鑒定；利用Image?Pro Plus軟件對偏析相進行定量分析.

表1 GH 3625鎳基高溫合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）Table 1 Chemical composition of GH 3625 alloy（mass fraction/%）

2 結(jié)果與討論

2.1 鑄錠原始組織及偏析相

GH 3625合金電渣錠顯微組織如圖1所示，可以明顯看到一次枝晶和二次枝晶.由圖1（a）可知，GH 3625合金電渣錠的橫截面枝晶相互交錯呈網(wǎng)格狀.由圖1（b）可知，GH 3625合金電渣錠的縱截面樹枝晶具有明顯的方向性，這與電渣過程中熔池的深度和冷卻速率有很大關(guān)系.通過金相測量得到，一次枝晶臂間距為162.5 μm，二次枝晶臂間距為27.1 μm.

GH 3625合金中的顯微偏析相分布如圖2所示.由圖2（a）可知，GH 3625合金的顯微偏析存在于枝晶間.在鑄錠中選擇不同的區(qū)域做EDS點分析，得到圖3（a）、3（b）和3（c）.

圖1 GH 3625合金鑄態(tài)顯微組織Fig.1 Microstructures of as?cast GH 3625 alloy：（a）Cross section；（b）Longitudinal section

圖2 GH 3625合金鑄錠偏析相分布Fig.2 Segregation phase of cast GH 3625 alloy：（a）OM；（b）Image?Pro

由圖3可知，GH 3625合金鑄錠中存在富Nb、Cr、Mo、Al等元素偏析相，還發(fā)現(xiàn)一些碳化物.采用Image?Pro Plus軟件對圖2（a）中GH 3625合金電渣鑄錠組織進行顏色分離，得到圖2（b）.圖2（b）中黑色區(qū)域為枝晶間偏析相，對圖2（b）黑色區(qū)域進行統(tǒng)計計算，得到枝晶間偏析相的體積分?jǐn)?shù)為3.35%.對枝晶干和枝晶間進行EDS線分析，結(jié)果如圖4所示.由圖4可知，偏析相主要成分為Nb、Mo、Ti等元素，GH 3625合金中Nb和Mo的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別高達3.44%和8.58%.這些Nb、Mo、Ti等合金元素的加入，雖然能提高合金的強度和耐蝕性，但合金化程度的提高會使GH 3625合金的變形抗力增加，在液相凝固過程中容易產(chǎn)生比較嚴(yán)重的枝晶微觀偏析.

圖3 GH 3625合金鑄錠偏析EDS點分布Fig.3 EDS point distribution for GH 3625 alloy as?cast：（a）Periphery；（b）1/2 radius；（c）Center

圖4 GH 3625合金鑄錠偏析EDS線分布Fig.4 EDS Line scanning for GH 3625 alloy as?cast

有報道表明：在Nb含量較高的合金液相凝固過程中，由于Nb在殘余液相中偏聚使其含量倍增，常伴隨Laves相出現(xiàn)，Laves相為脆性相，會明顯降低合金的沖擊性能和塑性，不利于合金的開坯［17］.

采用EDS能譜儀對枝晶干和枝晶間的元素含量進行測定，并計算偏析系數(shù)K（K＝枝晶間元素平均成分/直徑干元素平均成分）來表征GH 3625合金元素偏析程度，結(jié)果見表2.Nb、Mo、Ti、Al等元素偏析系數(shù)大于1，在枝晶間富集，為正偏析元素；而Cr偏析系數(shù)小于1，在枝晶干富集，為負(fù)偏析元素.

表2 GH 3625合金鑄錠主要元素在不同位置的含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）Table 2 The main element composition of GH 3625 alloy ingot（mass fraction/%）

不同元素的偏析程度為：Nb＞Mo＞Ti＞Al＞Cr.Nb、Mo、Ti、Al在枝晶間的大量富集，使得Laves等多種非平衡相在枝晶間析出.通過對枝晶間的偏析相分析可知，GH 3625合金鑄錠存在明顯的枝晶間偏析，因此，必須對GH 3625合金鑄錠進行均勻化處理，以消除Nb、Mo、Ti等元素引起的顯微偏析，使有害析出相回溶.

2.2 均勻化過程中組織分析及元素再分配

GH 3625合金鑄錠在不同溫度下均勻化1 h后的顯微組織如圖5所示.與圖1鑄態(tài)組織相比，在不同溫度下經(jīng)過1 h均勻化處理的組織形貌發(fā)生明顯變化，可以清楚地看到，枝晶明顯消熔，但還未完全消除，均勻化不完全.同樣，采用Image?Pro Plus軟件對圖5（a）～5（f）中枝晶間的偏析相進行統(tǒng)計，結(jié)果如圖6所示.由圖6可知，隨著溫度的不斷升高，枝晶間的偏析相逐漸減少.

圖5 GH 3625合金在不同溫度下均勻化處理1 h的組織Fig.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℃

圖6 GH 3625合金在不同溫度下均勻化處理1 h的枝晶間相體積分?jǐn)?shù)Fig.6 Volume fraction of inter?dendritic region of GH 3625 alloy at different temperatures homogeneous for 1 h

從微觀角度分析，Laves相的回溶實際上是Laves相中溶質(zhì)原子向枝晶干區(qū)域擴散的結(jié)果，而晶體中的原子進行擴散時不論按間隙機制、交換機制還是空位機制進行，均需克服一定的能壘才能實現(xiàn)原子從一個平衡位置到另一個平衡位置的躍遷.因此，提高均勻化溫度無疑為即將擴散的原子提供了更多能量，使得原子擴散加快，擴散系數(shù)增加，繼而表觀上表現(xiàn)為Laves相回溶速度加快.

2.3 均勻化動力學(xué)研究

GH 3625合金鑄錠在1 130℃下不同時間均勻化處理后的顯微組織變化如圖7所示，其中，圖7（a）～7（d）為金相顯微組織，圖7（e）～7（h）為SEM照片，可以看出，隨著均勻化時間的增加，枝晶結(jié)構(gòu)明顯消除.經(jīng)過32 h時，由能譜分析儀（EDS）檢測發(fā)現(xiàn)，Laves相基本消除溶入基體，只剩下少量的碳化物MC.同時，與未進行均勻化處理樣品中的碳化物MC相比，碳化物的形貌和位置均發(fā)生明顯變化.MC從棱角分明的塊狀變?yōu)轭w粒狀，尺寸變小，偏聚于晶界.顯然，均勻化過程中碳化物的形態(tài)轉(zhuǎn)變有利于提高GH 3625合金的熱加工性能.

圖7 GH 3625合金在1 130℃不同時間均勻化處理后的金相照片（a～d）和SEM照片（e～h）Fig.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能譜分析儀對1 130℃下均勻化處理不同時間的試樣進行微區(qū)成分檢測.為減小誤差，采用多區(qū)域測量取平均值，并計算偏析系數(shù)K，如圖8所示.均勻化32 h后，主要偏析系數(shù)變?yōu)椋篕Nb＝1.02，KMo＝1.01，KTi＝1.03，KCr＝0.98，KAl＝1.04，由此可知枝晶間偏析元素擴散均勻.

圖8 均勻化過程中偏析系數(shù)K值變化Fig.8 Change of K value when homogenized at 1 130℃

采用Image?Pro Plus軟件對GH 3625合金在1 130℃下不同時間均勻化處理后的偏析相進行統(tǒng)計，通過定量分析得到均勻化過程中Laves相體積分?jǐn)?shù)的變化如圖9所示.

圖9 GH 3625合金在1 130℃下隨均勻化處理時間變化的均勻化動力學(xué)Fig.9 Kinetics of GH 3625 alloy homogenized at 1 130℃with time?varying

由圖9可知，該曲線呈明顯的指數(shù)函數(shù)特征，線性擬合后的關(guān)系為

式中：t為均勻化時間，h，當(dāng)t＝0時（未均勻化），Laves相的體積分?jǐn)?shù)為3.35%；Kt定義為Laves相的回溶系數(shù)，其值隨均勻化溫度的改變而改變，1 130℃時，Kt為0.163 1.通過偏析系數(shù)的變化以及均勻化動力學(xué)線性擬合曲線可知，GH 3625合金鑄錠在1 300℃處理32 h后，基本可以消除元素顯微偏析，使得低熔點相回溶.

3 結(jié) 論

1）均勻化處理前GH 3625合金存在明顯的枝晶組織.GH 3625合金電渣錠存在富Nb、Cr、Mo、Al等元素的Laves相以及少量的碳化物MC.Nb、Mo、Ti、Al等元素在枝晶間富集，Cr在枝晶干富集.不同元素的偏析程度為Nb＞Mo＞Ti＞Al＞Cr.

2）均勻化處理后，枝晶間偏析相逐漸減少，碳化物由塊狀變?yōu)轭w粒狀.均勻化處理制度為1 130℃× 32 h時，枝晶組織逐漸消除，Laves相回溶.

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（編輯 程利冬）

Microsegregation and homogenization of GH 3625 alloy ingot

DING Yutian，LI Haifeng，WANG Wei，LIU Jianjun，GUO Tingbiao，HU Yong

（State Key Laboratory of Advanced Processing and Recycling of Nonferrous Metals（Lanzhou University of Technology），Lanzhou 730050，China）

To eliminate the micro?segregation，improve the hot workability，and establish the uniform dynamics，and formulate the homogenization schedule of cast GH3625 alloy，microstructure and element segregation of as cast GH 3625 alloy after vacuum induction melting（VIM）and electroslag remelting（ESR）was studied by means of Image?Pro Plus，scanning electron microscopy（SEM）and energy dispersive spectroscopy（EDS）.Cast GH 3625 alloy was homogenized at different temperatures or different time.The results show that GH 3625 alloy exhibits dendritic segregation，in which Nb and Mo are mainly segregation elements，and they formed Nb?rich Laves phase and MC carbides.The elements displayed different segregation degree as the following sequence：Nb＞Mo＞Ti＞Al＞Cr.Nb，Mo，Ti，and Al are largely enrichedenriched in the inter?dendrite，resulting in the precipitation of Laves and other non?equilibrium phases.The elements diffused more evenly during homogenization，as the homogenization temperature increases or the time prolongs.The element segregation of the GH 3625 alloyalmost eliminated after homogenization treatment at 1 130℃for 32 h.Laves phase volume fraction and the homogenization time obey the following exponential function relation：V1130℃＝0.033 5exp（－0.163 1t）.

GH 3625 alloy；micro?segregation；homogenization；Laves phase；carbide

TG142.71

A

1005－0299（2016）06－0014－06

2016－03－08.

國家自然科學(xué)基金項目（51661019）；甘肅省重大科技專項項目（145RTSA004）.

丁雨田（1962—），男，教授，博士生導(dǎo)師.

李海峰，E?mail：xfcytg＠163.com.

10.11951/j.issn.1005－0299.20160603