稀土Y,Ce对K418镍基高温合金微观组织的影响
2022-12-09
来源:步旅网
第44卷 第3期 材料工 程 Vol_44 Mar.2016 No.3 PP.46~51 2016年3月 第46—51页 Journal of Materials Engineering 稀土Y,Ce对K418镍基高温合金 微观组织的影响 Effect of Rare Earth Elements(Y,Ce)on Microstructure of K418 Ni—base Superalloy 金玉花,韩萍花,李常锋,寇生中 (兰州理工大学甘肃省有色金属新材料省部 共建国家重点实验室,兰州730050) J IN Yu—hua,H AN Ping—hua,LI Chang-feng,KOU Sheng-zhong (State Key Laboratory of Advanced Processing and Recycling of Nonferrous Metals,Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050,China) 摘要:采用高真空电弧熔炼炉熔炼,制备了K418镍基高温合金。借助SEM对合金的组织进行观察,用EDS对合金中 的相成分进行分析,研究了稀土元素Y,Ce对合金中气孔缺陷、7 相以及(7+ )共晶相等的影响。结果表明:添加稀土 元素明显减少了合金中的气孔缺陷,提高了合金的致密度,细化了合金枝晶组织。组织中碳化物的形态由大块状变为链 状和小块状,丫 相尺寸变小且颗粒数目增多。Y元素的加入能使合金中的(丫+ )共晶相数目增加。但同时加入Y,Ce 两种稀土元素后共晶相数目的增加更为显著。 关键词:K418合金;稀土元素;7 相;共晶相 doi:10.11868/j.issn.1001—4381.2016.03.008 中图分类号:TG146.1 5 文献标识码:A 文章编号:1001—4381(2016)03—0046—06 Abstract:K4 1 8 Ni—base superalloy was melted in high vacuum arc—melting furnace.The microstruc— ture was observed by using SEM,the phase composition was detected by EDS.The effect of with rare earth elements on pore defects, phase and eutectic phase of the alloy was studied and the effect mechanism was analyzed.The results show that the pore defects of the alloy decrease with the addi— tion of rare earth elements,the density increases,the dendritic strueture is refined.The morphology of carbides in alloy turns from bulk into chain and small pieces,the 7 phase in alloy with the addition of rare earth elements becomes smaller in size and much more in numbers.The eutectic phase(y+7 ) volume remarkably increases with the addition of Y,however the eutectic phase volume increases more obviously if tWO rare earth elements Y,Ce are added simultaneously. Key words:K418 superalloy;rare earth element;丫 phase;eutectic phase K418镍基铸造高温合金因其具有良好的抗氧化 性、抗腐蚀性和抗疲劳性能被广泛应用于航空航天、船 舶、汽车等领域,如涡轮机叶片、导向叶片和整体涡轮等 多种零部件n ]。但是随着航空航天业的不断发展,对 许多学者尝试了不同的方法。如热等静压法l_4 和热挤 压法[5 可提高合金的致密性和均匀性,但热等静压法 对冷却速率要求严格,会因冷却速率慢,影响合金的综 合力学性能;热挤压法则在挤压工程中常伴有较严重的 氧化和脱碳等加热缺陷。鉴于这些不利因素,改善镍基 材料提出了更高要求。对于K418镍基铸造高温合金, 其内部存在大量气孔、夹杂物及偏析等缺陷,气孔的产 生易使合金局部造成应力集中或成为零件断裂的裂纹 合金高温性能的研究工作更多地集中在合金化成分设 计板块,尤其是添加不同合金元素对于镍基高温合金组 织和性能的影响方面,牛建平等L6]研究了镍基高温合金 中加C,Al对脱氧脱氮的影响;谷怀鹏等[7]对含Ru镍 基单晶高温合金的显微组织和拉伸性能进行了研究; 杨海青等嘲研究了Re对耐腐蚀镍基定向合金组织和持 源;夹杂物的存在则会降低合金的塑性、韧性和疲劳性 能;偏析使得合金晶界区的Nb,B等偏析元素的局部浓 度过高,导致晶界严重弱化。因此,为了改善合金组织、 提高材料的利用率,要尽可能减少或消除此类现象。 针对镍基高温合金易出现气孔、成分偏析等缺陷, 久寿命的影响;郭建亭等 1]研究了Y,Ce,B等一些微 5O 材料工程 2016年3月 式(2)来计算 fL一(kE--1) (2) [6] 牛建平,杨克怒.采用CaO坩埚超纯净熔炼Ni基高温合金[J-. 机械工程材料,2001,25(5):19—20. NIU Jian-ping,YANG Ke—nu.The super refining of Ni—base su— 式中:九为达到共晶体积分数;C 为共晶的成分;C。 为合金的原始溶质含量。合金中由于液相部分混合, 故k。<愚E<1。由公式(2)知,尼 越大,^也就越大, peralloy using CaO crucible[J].Materials for Mechanical Engi— neering,2009,27(6):822~828. [7]谷怀鹏,刘丽君,曹腊梅,等.含Ru镍基单晶高温合金的显微组 织和拉伸性能研究[J].航空材料学报,2013,33(6):20—26. GU Huai-peng,LIU Li-jun,CAO La—mei,et a1.Microstructure and tensile property of Ru—。containing Ni base single crystal super—‘ 即共晶体积分数也就越多。因此,加入稀土元素会促 进(7+7 )共晶数量的增加,而同时加入两种稀土元素 的合金中的共晶数目增加更为显著。 3 结论 (1)K418镍基铸造高温合金内部可以看到有明显 的气孔缺陷,而稀土元素的添加减少了合金内部的气 孑L缺陷并细化了枝晶组织,使合金组织的致密性得到 了很大的改善。 (2)与未添加稀土元素的合金相比,添加稀土元素 的合金组织中的 相数量增多,且 相从方形逐渐转 变为球形,尺寸变小,表明在合金中加入适量稀土元素 有益于改善合金组织。 (3)加入稀土元素后的合金中由于加入的稀土元 素原子的半径较大,使得固液前沿的扩散受阻,( + )共晶相的数目增多,而且同时加人两种元素的合金 中的共晶数目增加更为显著。 参考文献 [1] MAHOBIA G S,PAULOSE N,MANNAN S L,et a1.Tensile behavior of alloy 718 in hot corrosive environment[J].Journal of Materials Engineering and Performance,2013,22(12):3810— 3817. [2] 石照夏,董建新,张麦仓.K418合金显微组织及其增压器涡轮叶 片热裂的研究[J].稀有金属材料与工程,2012,41(I1):1935— 1939. SHI Zhao—xia,DONG Jian-xin,ZHANG Mai-cang.Research on microstructure of K418 alloy and hot tearing of its turbocharger turbine blades[J].Rare Metal Materials and Engineering,2012, 41(11):1935—1939. [3] LoNG F L,YA L D.A new current hybrid inertia friction weld— ing for nickel—-based superalloy K418—·alloy steel 42CrMo dissimilar metals[J].Int J Adv Manuf Teehnol,2014,70:1673—1681. [4] 王伟,李强,杨维才,等.镍基铸造高温合金的热等静压改性研 究[J].金属热处理,2014,39(1):85—88. WANG Wei,LI Qiang,YANG Wei~cai,et a1.Modification of cast nickel-base superalloy by hot isostatic pressing[J].Heat Treatment of Metals,2014,39(1):85—88. [5] KO D H,KANG B H,KO D C,et a1.Improvement of mechani— cal properties of A1606 1 extrudate by die cooling with Nz gas dur— ing hot extrusion[J].Journal of Mechanical Science and Teehnol— ogy,2013,27(1):153—161. alloy[-]].Journal of Aeronautical Materials,2013,33(6):20— 26. [8]杨海青,李青,肖程波,等.Re及时效时间对耐腐蚀镍基定向合 金组织和持久寿命的影响[J].材料工程,2015,43(6):31—37. YANG Hal—qing,LI Qing,XIAO Cheng—bo,et a1.Effect of Re and aging time on microstructure and stress rupture life of eorro— sion resistance directionally solidified Ni—base superalloy[J].]our— nal of Materials Engineering,2015,43(6):31—37. [93郭建亭.几种微量元素在高温合金中的作用与机理[刀.中国有 色金属学报,2011,21(3):465—475. GUO Jian-ting.Effects of several minor elements on superalloys and their mechanism[J].The Chinese Journal of Nonferrous Met— als,2011,21(3):465—475. [1O] 肖旋,赵海强,郭建亭,等.B和P对GH 984合金组织和力学 性能的影响[J].金属学报,2013,49(4):42I一427. XIAO Xuan,ZHAO Hal—qiang,GUO Jian-ting.et a1.Effect of B and P on mierostructure and mechanical properties of GH984 alloy[J].Acta Metallurgiea Sinica,2013,49(4):421—427. [HI SHENG L Y,GUO J T,YUAN C,et a1.Investigation on B, Cr doped Nis A1 alloy prepared by se1f-propagation high—tempera— ture synthesis and hot extrusion[J].Materials Science Forum, 2013,747:124—131. [12]ZHOU P,Yu J,SUN X,et a1.Roles of Zr and Y in east mi— crostructure of M9 51 nickel—based superalloy[J].Transactions of Nonferrous Metals Society of China,2012,22(7):15 94— 1598. [13]周鹏杰,何向明.微量元素对镍基高温合金共晶数量的影响 [J].铸造,2012,61(8):868—872. ZHOU Peng-jie,HE Xiang-ming.Influences of minor alloying elements on the eutectic volume of Ni—base superalloy[J]. Foundry,2012,61(8):868—872. [14]梁补女,张振宇.含稀土元素的Fe—Ni—RE粉末冶金材料的研究 [J].新技术新工艺,2005,(9);52—54. LIANG Bu—nil,ZHANG Zhen—yu.Development of P/M Fe-Ni— RE material containing rare—earth elements[J].New Technology and New Process,2005,(9):52—54. [15]彭志江,李志军,侯介山,等.钇,铈对低铪镍基K444返回合 金组织与力学性能的影响[J].中国稀土学报,2009,27(6): 822——828. PENG Zhi—jiang,LI Zhi-jun,HOU Jie—shan,et a1.Effect of yt— trium and cerium on microstructures and mechanical properties of revert Ni—base superalloy K444 with low hafnium content[J]. Journal of the Chinese Rare Earth Society,2009,27(6):822— 828. 第44卷第3期 稀土Y,Ce对K418镍基高温合金微观组织的影响 51 [16] 田宁,田素贵,于慧臣,等.DZ125镍基合金蠕变期间的组织演 化与元素扩散迁移率[J].中国有色金属学报,2014,24(2): 335—342. WANG Ming-gang,TIAN Su—gui,YU Xing—fu,et a1.Influ— ences of element Re and temperatures on the lattice parameter and misfit of single—crystal nickle-base superalloys[J].Rare Metal Materials and Engineering,2010,39(2):268—272. TIAN Ning,TIAN Su—gui。YU Hui—chen,et a1.Microstructure evolution and element diffusion mobility of DZ125 nickel—hased superalloy during creep[J].The Chinese Journal of Nonferrous Metals,2014,24(2):335—342. 基金项目:973计划前期研究专项基金(2012CB722806);兰州理工大学 2013年博士基金(Ol一0765);甘肃省高等学校基本科研业务费(01—0071) 收稿日期:2014—07—31;修订日期:2015-03—10 通讯作者:金玉花(1978一),女,博士,副教授,硕士研究生导师,主要从 [173 郭建亭.高温合金材料学(上册)EM3.北京:科学出版社,2008. GUO Jian—ring.Materials Science and Engineering for Superal— loys(I)[M].Beijing:Science Press,2008. [18] 王明罡,田素贵,于兴福,等.Re及温度对单晶镍基合金晶格 事有色金属连接技术的科研与教学工作,联系地址:甘肃省兰州市兰州 理工大学材料学院(730050),E-mail:yhjin8686@163.com 常数及错配度的影响[J3.稀有金属材料与工程,2010,39(2): 268—272.