冷却速率对镍基高温合金组织和性能的影响

 冷却速率对镍基高温合金组织和性能的影响

 束文武

 江苏图南合金股份有限公司 江苏省丹阳市 212300

摘要

高温合金以其优异的高温强度和稳定的结构在航空航天领域的关键构件中得到广泛应用。γ′相作为镍基高温合金主要的强化相，其成分、形貌、体积分数、尺寸和分布显著影响合金的性能。然而，由于航空发动机中大型结构铸件的尺寸比较大，使得铸件不同部位的冷却速率差异较大，导致在热处理过程中γ′强化相的形貌、尺寸和分布不均匀，进而会影响部件的最终使用性能。因此，掌握和理解冷却速率对γ′强化相的分布、尺寸形貌的对于构件服役能力具有重要的意义。 本文研究了不同冷却速率及对比试样（2.5℃/min、10℃/min、空冷、水冷、固溶态、时效处理）对IN939镍基高温合金镍γ'强化相的分布、尺寸，硬度和耐蚀性的影响。

关键词: IN939高温合金；冷却速率；γ'强化相；硬度、耐蚀性

1绪论

高温合金按基体元素分为铁基、镍基、钴基三类，该类合金用于工业品燃气轮机、航空发动机以及火箭发动机及的承热部件，是衡量一个国家经济建设、国防领域不可或缺的合金材料种类[1]。其中，镍基高温合金化学成分结构为典型的Ni-Cr二元基体，其高温力学性能好，组织稳定性高，合金本身不易形成拓扑密堆(TCP)相，多用于制作燃气涡轮发动机涡轮叶片、燃料喷嘴、护环部件，被视为制造航空发动机发热端及承热部件的核心材料[2]。其主要强化相为γ'相。镍基高温合金在航空航天飞行器制造材料的应用表现突出，在石化、能源、交通运输工业化和制造业领域使用也较为广泛，研究镍基高温合金的性能和用途具有重要价值。

本文研究冷却速率对γ'相析出过程的影响，比较不同冷速下γ'相形貌、成分、体积分数和尺寸分布的演变规律。简要介绍镍基高温合金概述、合金元素、形成相和热处理制度。以IN939镍基高温合金的水冷、空冷、10℃/min冷速、2.5℃/min冷却试样、时效处理试样整理出合金相组织、力学性能、耐蚀性的不同点，并和固溶处理空白试样的实验结果做对比，得出冷却速率对镍基高温合金组织和性能的影响结果。

2  实验料和步骤

2  实验材料和步骤

2.1实验材料

本文采用IN939铸造镍基高温合金作为实验研究对象。合金母材按照化学成分表配料之后，在真空熔炼炉中熔炼而得。IN939合金试样合金化学成分见表2.1。

表2.1 IN939高温合金化学成分

2.2实验步骤

2.2.1IN939合金平衡相组织临界温度的计算

根据IN939合金的化学元素组成，运用JMatPro7.0热力学模拟软件对合金的γ基体相、γ'强化相平衡质量分数，液相线温度进行计算，为热处理制度的制定提供参考。在软件中进行温度阶跃计算，温度范围设置为500～1400℃，步进值为10℃。

计算γ'相内加入合金元素含量和温度变化之间的关系。在合金的热力学性质计算模块，设置温度范围为1400~500℃，步进值设置为10，得出γ'相内元素含量随温度变化关系曲线，将原始数据导出，并在绘图软件中绘制关系图。

2.2.2特征温度测定

测试用差示扫描量热分析(DSC)试样取自已熔炼好的母材半径3/4处，实验所用试样的尺寸为Φ3mm×2mm。试样上下表面在180#、320#和800#砂纸上打磨过后，进行超声波酒精清洗，之后在分析天平上称重，结果保留四位有效数字，确保试样质量为58.56mg。DSC实验在专业型同步热分析仪上进行，选用高纯Ar气作为坩埚内试样加热过程的保护气氛，Ar气设置为流量20mL/min,差热分析所用参比试样是同容纳测试样品相同的Al2O3空坩埚。记录待测样的升温、冷却曲线数据，对升温、降温曲线用取平均值法计算所用合金母材的相变点温度。

2.2.3不同冷却速率试样制备

从已熔炼好的IN939合金母材上线切割出六份12mm×10mm×2mm的方片。

3  实验结果和分析

在对试样的加热过程之前，所有试样预先进行固溶处理，其热处理制度为:试样随炉加热至1150℃后保温4h,之后出炉空冷。不同冷却试样热处理制度为:

a. 水冷试样 固溶处理后，将试样随炉加热至1200℃并保温20min，进行水中淬火。

b. 空冷试样 固溶处理后，将试样随炉加热至1200℃并保温20min,出炉空冷。

c. 10℃/min冷速试样 固溶处理后，将试样随炉加热至1200℃，后在炉中降温40min到800℃，之后出炉空冷。

d. 2.5℃/min冷速试样 固溶处理后，将试样随炉加热至1200℃，后在炉中降温160min到800℃，之后出炉空冷。

e. 时效试样 固溶处理后，将试样随炉加热至850℃，保温30min，出炉空冷。

f. 空白对照试样 固溶处理后不做任何热处理。

3 

实验结果和分析

3.1IN939合金在平衡状态下组成相及临界温度计算

图3.1 IN939合金平衡态下相质量分数和温度关系图

实验所用IN939合金成分在JMatPro 7.0软件中组成相、γ'相液相线温度计算结果。图3.1是模拟软件的计算结果图。分析图线可知，在平衡态下，实验所用试样γ'相溶解开始温度为1111.7℃，合金液相线温度为1338.3℃。为保证对合金热处理γ'相完全固溶于基体中，得出固溶处理温度应高于γ'相溶解开始温度。

图3.2 IN939合金γ'相化学元素含量和温度关系图

图3.2是γ'相中各合金元素含量和温度之间关系图。重要合金元素的在γ'相中的质量分数皆在13%之下。γ'相为Ni3Al结构，所计算的合金为IN939镍基高温合金，在该合金的γ'相中Ni元素含量较高。对于其它合金元素，伴随着温度的降低，Co元素在γ'相的含量降低，元素大多向γ基体相转移。高温下γ'相内部高的Co含量有助于此强化相的形核和最终析出。而其它合金元素在温度降低时向基体相的扩散作用不明显，故该类元素的含量始终在γ'相初始含量左右变化，且不同元素在γ'强化相内的含量和合金母材熔炼之前所加入元素在合金成分比值密切相关。

3.2冷却试样X射线衍射结果分析

图3.3 不同冷却试样X射线衍射谱图

图3.3是不同冷却试样的XRD衍射结果。根据不同冷却试样的谱图，所有实验结果的X射线衍射结果皆包含四个明显的衍射峰，衍射结果具有相似性。所有的冷却试样都含有γ固溶体和NbC等碳化物，在X射线衍射图表现为NbC等相的衍射峰较低。在43.75°左右皆有较强的衍射峰，对应[111]衍射晶面，说明所有冷却试样物相中皆含有Ni元素。当2θ为50.97°、74.97°、90.6°时，在所有实验结果皆有衍射峰，该角度对应[200]、[220]、[311]晶面。但对于2.5℃/min、10℃/min冷却试样[111]晶面所对应的的衍射强度较低。根据衍射峰2θ角及的比较，实验所用六种冷却试样所含的成分相似。这一实验结果表明冷却速率对于IN939合金析出相的影响较小。

3.3合金母材特征温度测定

图3.4 IN939合金DSC曲线 a)升温过程，b）降温过程

图3.4是实验所用IN939合金母材的DSC曲线。采用升、降温曲线求取特征温度平均值，有助于减小测试过程中样品和实验条件及样品状态对实验结果的误差。随着温度升高，试样先达到基体开始熔化温度，之后是名义固相线温度，液相线温度，以及试样完全为液相时的温度。

表3.2 IN939合金DSC分析结果

4  结论

4  结论

本文以IN939镍基高温合金为研究对象，对该合金的析出相组成、主要强化相的尺寸比较、力学性能和腐蚀性能得出结论如下。

(1) 冷却速率对于镍基高温合金的相组成影响较小。

(2) 冷却速率在很大程度上影响镍基高温合金γ'相的尺寸和体积分数。在较快的冷速下使得γ'相的尺寸降低，而体积分数高于慢冷试样。冷却速率对于合金的相结构组成的影响不大。随着冷却速率的增大，γ'相的形态由菜花状变为细小的类球状，体积分数随冷速的增加而增加，在冷却试样中水冷试样的γ'相体积分数最大，为33.7%。γ'相尺寸大小随冷却速率的增大而减小，γ'相最大尺寸出现在2.5℃/min冷却试样中，其平均尺寸大小为0.0403μm2。

参考文献

参考文献

[1] 师昌绪, 陆达, 荣科. 中国高温合金四十年. 北京: 中国科学技术出版社, 1996.

[2] JAHANGIRI M R, ARABI H, BOUTORABI S M A. High-temperature compression behavior of cast and homogenized IN939 superalloy[J]. Metallurgical and materials transactions A: Physical metallurgy and materials science, 2013, 44(4): 1827-1841.

[3] 仲增墉，师昌绪.中国高温合金四十年历程，中国高温合金四十年（师昌绪, 陆达主编）.中国科学技术出版社，1996:3.

[4] 谢长生, 崔菎. 钢的成分、组织与性能.第六分册, 耐热钢与高温合金. 科学技术出版社, 2019:1.

[5] 王育武. 不同因素对316L不锈钢钝化膜化学结构与性能的影响研究[D]. 北京: 北京化工大学硕士学位论文, 2018.