金属学报, 2019, 55(6): 720-728 DOI: 10.11900/0412.1961.2018.00491

B含量对K417G合金凝固过程中组织演变和力学性能的影响

刘巧沐1, 黄顺洲1, 刘芳2, 杨艳3, 南宏强3, 张东3, 孙文儒,2

1. 中国航发四川燃气涡轮研究院 成都 610500

2. 中国科学院金属研究所 沈阳 110016

3. 金川集团股份有限公司镍钴资源综合利用国家重点实验室 金昌 737100

Effect of Boron Content on Microstructure Evolution During Solidification and Mechanical Properties of K417G Alloy

LIU Qiaomu1, HUANG Shunzhou1, LIU Fang2, YANG Yan3, NAN Hongqiang3, ZHANG Dong3, SUN Wenru,2

1. AECC Sichuan Gas Turbine Establishment, Chengdu 610500, China

2. Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China

3. Laboratory of Nickel and Cobalt Resources Comprehensive Utilization, Jinchuan Group Co. , Ltd. , Jinchang 737100, China

通讯作者: 孙文儒,wrsun@imr.ac.cn,主要从事高温合金的研究

责任编辑: 肖素红

收稿日期: 2018-11-01   修回日期: 2018-12-27   网络出版日期: 2019-05-28

Corresponding authors: SUN Wenru, professor, Tel:(024)23971737, E-mail:wrsun@imr.ac.cn

Received: 2018-11-01   Revised: 2018-12-27   Online: 2019-05-28

作者简介 About authors

刘巧沐,男,1984年生,高级工程师,博士

摘要

研究了B含量对K417G合金凝固过程中相析出以及铸态组织和力学性能的影响。研究不仅证实了B显著促进元素偏析以及凝固后期(γ+γ')共晶析出,还发现B对K417G合金凝固早期基体γ相的析出和长大具有明显影响。B降低基体γ相的析出温度,抑制γ相的形核,并阻碍γ相生长。当B含量低于0.036%时,由于B降低γ相形核率,导致K417G合金的晶粒组织随B含量增加明显粗化。当B含量增加至0.060%时,尽管B仍然降低γ相形核率,但由于其阻碍γ相枝晶的早期生长,使熔体内部过冷度升高,局部发生晶粒细化。B对K417G合金力学性能的影响决定于硼化物的晶界析出形态,当B含量低于0.036%时,硼化物以颗粒状在晶界析出并对晶界产生强化作用,合金的900 ℃拉伸性能和900 ℃、315 MPa持久性能随B含量的增加而显著提高。当B含量达到0.060%时,共晶态硼化物在(γ+γ')前沿析出,导致共晶态硼化物与(γ+γ')的界面显著弱化,拉伸和持久性能显著降低。

关键词: K417G合金 ; B ; 凝固过程 ; 显微组织 ; 力学性能

Abstract

Boron is a key element in superalloys and many other metallic materials for strengthening the grain boundaries. However, it also has harmful effect on aggravating the solidification segregation of the alloys. Although the mechanism for the influences of B on the alloys has been studied extensively, it is still required to study in some alloys currently because the compositive effects of boron in different alloys are sometimes distinct. K417G, a cast superalloy with good comprehensive properties, has been applied in aero engines of China. In the present work, the effects of boron content on the microstructure evolution during the solidification and the mechanical properties of the as cast K417G alloy have been investigated, providing some fundamental information for the control of boron addition in the alloy. It has been found that boron aggravated the elemental segregation and promoted the eutectic (γ+γ') precipitation at the final stage of the solidification of K417G alloy. In addition, boron decreased the precipitation temperature, and hence reduced the nucleation rate of the γ matrix. When the boron content was below 0.036%, the grain size was increased with the increment of B content, which is caused by the decreased nucleation of the γ phase. When the B addition was increased up to 0.060%, the grain was refined at some local places, because the growth of the dendrites was inhibited and the γ phase could nucleate at the inner part of the subcooled liquids. The mechanical properties of K417G alloy were significantly influenced by the precipitation of the boride at the grain boundaries. The borides were precipitated as fine particles at the grain boundaries when the B addition was below 0.036%, and the tensile properties at 900 ℃ and the stress rupture properties at 900 ℃ and 315 MPa were markedly improved with the increasing B content in this addition range. When the B content was increased to 0.060%, the boride was precipitated as eutectic form in front of the eutectic (γ+γ'). The tensile and stress rupture properties were decreased due to the weak cohesion between the eutectic (γ+γ') and the eutectic form borides.

Keywords: K417G alloy ; B ; solidification process ; microstructure ; mechanical property

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本文引用格式

刘巧沐, 黄顺洲, 刘芳, 杨艳, 南宏强, 张东, 孙文儒. B含量对K417G合金凝固过程中组织演变和力学性能的影响. 金属学报[J], 2019, 55(6): 720-728 DOI:10.11900/0412.1961.2018.00491

LIU Qiaomu, HUANG Shunzhou, LIU Fang, YANG Yan, NAN Hongqiang, ZHANG Dong, SUN Wenru. Effect of Boron Content on Microstructure Evolution During Solidification and Mechanical Properties of K417G Alloy. Acta Metallurgica Sinica[J], 2019, 55(6): 720-728 DOI:10.11900/0412.1961.2018.00491

B是高温合金中重要的晶界强化元素[1,2,3],但它同时强烈地促进元素偏析和有害相析出[4,5,6]。B在高温合金中具有不同的存在形式,既可以以原子态在基体中固溶或在界面处偏聚,也可以在晶界处析出硼化物,其作用与其存在形式密切相关。研究[7,8]表明,B在不同高温合金中的存在形式存在明显的差别。例如,B在617B等合金中主要以固溶的形式存在于基体中,所以在这些合金中未见硼化物析出;但在IN738和René80等合金中,却由于B在基体中的固溶度很低而析出硼化物[8,9,10,11]。最近的研究[12,13,14,15]表明,B不仅可以强化高温合金的晶界,而且可以通过影响基体γ相和沉淀强化相γ'之间的错配度来强化合金基体,提高合金性能。以上研究结果说明,由于元素之间具有交互作用,B在不同合金中的作用不可避免地存在差异,要达到合理控制B含量的目的,还需要在具体合金中研究B的分布及其作用[16,17,18,19,20,21,22]

K417G合金是在IN100合金成分基础上发展而成的先进合金,它克服了IN100合金σ相析出倾向大的缺点,在我国先进航空发动机中广泛用于制作工作叶片和导向叶片[23]。K417G合金具有密度低和中温强度高的优点,适用于高推比发动机,具有较好的应用前景。本工作研究了B含量对K417G合金显微组织和力学性能的影响规律,及其与B的存在方式之间的关系,可以为实际应用中合理地控制K417G合金中的B含量提供研究基础。

1 实验方法

采用真空感应炉冶炼K417G母合金,其主要化学成分(质量分数,%)为:Cr 8.79,Co 10.1,Mo 3.15,Al 5.39,Ti 4.35,V 0.74,B 0.015,Ni余量。再采用真空感应炉将母合金重熔浇铸成7炉子合金试棒组,试棒总长80 mm;标距段长度30 mm,直径8 mm;两端螺纹段长度各25 mm,直径16.5 mm。重熔过程中加入不同含量的B,7炉子合金中的B分析含量(质量分数)分别为0.0017%、0.0059%、0.012%、0.016%、0.025%、0.036%和0.060%。K417G合金技术条件规定的B含量成分范围为:0.012%~0.024%。本工作为了彰显B的作用规律,B含量的加入范围有所扩大。为了消除工艺参数波动产生的影响,保持各子合金的熔炼和浇铸工艺相同,以保证各合金的凝固条件相同。为了分析B含量对K417G合金铸态组织和元素偏析的影响,在试棒的螺纹端相同部位切取2 mm厚金相试样,以保证各试样在凝固过程中的冷却速率等条件相同。分析各合金的铸态组织和元素偏析情况。采用超高温综合热分析仪(DSC)分析B对合金凝固过程的影响。采用Axio Observer Z1光学显微镜(OM)和JSM-6301F扫描电镜(SEM)观察析出相形貌。按GB/T2039-1997加工标准的拉伸和持久试样,测试900 ℃拉伸和900 ℃、315 MPa持久性能。采用SEM观察拉伸和持久试样的断口。将断裂试样沿轴向剖开,观察断口附近的组织,分析拉伸和持久过程中裂纹萌生和扩展情况。

2 实验结果

2.1 B对铸态组织的影响

图1为不同B含量K417G合金铸态组织的OM像。可以看出,随B含量提高,铸态枝晶组织发生了较大的变化。当B含量不高于0.0059%时,晶粒尺寸比较细小(图1a和b)。当B含量达到0.012%以后,晶粒尺寸明显粗化(图1c)。B含量继续升高,晶粒度呈粗细不均的变化趋势(图1d)。

图1

图1   不同B含量K417G合金铸态组织的OM像

Fig.1   OM images of the as cast K417G alloy with 0.0017%B (a), 0.0059%B (b), 0.012%B (c) and 0.060%B (d)


图2为不同B含量K417G合金中(γ+γ')共晶相形貌的OM像。可以看出,随B含量升高,(γ+γ')共晶尺寸明显增大,析出数量显著增多。图3为不同B含量K417G合金析出(γ+γ')共晶面积分数的统计结果。可以看出,随B含量增加,(γ+γ')共晶析出量迅速增加,二者基本上呈线性关系。

图2

图2   不同B含量K417G合金(γ+γ')共晶析出相形貌的OM像

Fig.2   OM images of the eutectic (γ+γ') precipitates in K417G alloy with 0.0017%B (a), 0.025%B (b) and 0.060%B (c)


图3

图3   K417G合金中B含量与(γ+γ')共晶析出量之间的关系

Fig.3   Relationship between B content and area fraction of eutectic (γ+γ')


图4为不同B含量合金中硼化物的析出情况。可见,当B含量不超过0.036%时,硼化物在晶界和共晶前沿呈颗粒状或棒状析出,析出量随B含量的升高而增多。B含量为0.0017%时,合金的晶界析出相十分稀少(图4a),B含量为0.036%的合金,晶界和共晶(γ+γ′)前沿硼化物析出明显增多(图4b和c)。当B含量达到0.060%以后,硼化物在晶界以细小的短棒状连续析出(图4d),在(γ+γ′)共晶前沿的析出呈共晶态(图4e)。

图4

图4   B含量对硼化物在K417G合金晶界及(γ+γ')共晶前沿析出的影响

Fig.4   Effects of B content on the precipitation of the borides at the grain boundaries (a~d) and in front of the eutectic (γ+γ') (e) in K417G alloy with 0.0017%B (a), 0.036%B (b, c) and 0.060%B (d, e)


图5为不同B含量K417G合金的DSC曲线。图5a为含0.0017%B合金的差热分析降温曲线,按温度从高到低的顺序,各放热峰对应的相变分别为基体γ相凝固(1337 ℃)、碳化物析出(1313 ℃)、共晶(γ+γ′)相析出(1305 ℃)、γ′相从固态γ基体中二次析出(1194 ℃)。如图5b所示,B含量升高到0.036%时,基体γ相、碳化物和共晶(γ+γ')相的析出温度分别为1332、1304和1294 ℃,分别降低了5、9和11 ℃。但γ'相的二次析出温度保持不变,仍为1194 ℃。比较图5a和b可以看到,与B含量为0.0017%的合金相比,B含量为0.036%合金在1241 ℃多了一个析出峰。由图4可以看出,硼化物总是在晶界或共晶前沿析出,说明其析出温度低于共晶(γ+γ')相。因此可以确定,1241 ℃处为硼化物析出峰。

图5

图5   不同B含量K417G合金的DSC曲线

Fig.5   DSC curves of K417G alloy with 0.0017%B (a) and 0.036%B (b)


尽管B降低K417G合金中各种一次相的析出温度并导致硼化物的一次析出,但对γ'相的二次析出温度没有影响。这说明K417G合金中B的加入量对B在基体中的固溶浓度影响较小。如图4所示,随B含量增加,在晶界或共晶前沿析出的硼化物数量增多,说明B在凝固过程中主要向剩余液体中偏聚,即B在K417G合金中主要以硼化物的形态存在。

2.2 B含量对力学性能的影响

2.2.1 对900 ℃拉伸性能的影响

图6为B含量对K417G合金900 ℃拉伸性能的影响。如图6a所示,当B含量低于0.036%时,添加B对合金的900 ℃拉伸断裂强度影响不大;当B含量增加至0.06%时,断裂强度略有降低。当B含量低于0.012%时,对合金的900 ℃拉伸屈服强度影响不大;当B含量超过0.012%后,屈服强度随B含量的增加稍有升高。如图6b所示,当B含量低于0.036%时,拉伸塑性随B含量的增加快速升高。当B含量超过0.036%以后,拉伸塑性又随B含量的增加快速下降。

图6

图6   B含量对K417G合金900 ℃拉伸性能的影响

Fig.6   Effects of B content on the tensile properties of K417G alloy at 900 ℃

(a) strength (b) plasticity


不同B含量K417G合金900 ℃拉伸试样的宏观断口及其纵截面形貌的SEM像如图7所示。可以看出,B含量为0.0017%和0.060%的K417G合金的拉伸断口均呈明显的波浪状花样(图7a和e),而其它B含量合金的拉伸断口则没有这种花样,起伏较小(图7c)。从图7b、d和f可以看出,当B含量低于0.036%时,拉伸断口均呈明显的沿晶开裂特征(图7b和d),但含0.0017%B合金的二次裂纹较多(图7b)。B含量达到0.060%时,裂纹倾向于沿共晶前沿萌生和扩展(图7f)。

图7

图7   K417G合金900 ℃拉伸试样宏观断口及其纵截面形貌的SEM像

Fig.7   SEM images showing the macrostructures at fracture surfaces (a, c, e) and longitudinal sections (b, d, f) of tensile fractographs at 900 ℃ in K417G alloy with 0.0017%B (a, b), 0.036%B (c, d) and 0.060%B (e, f)


2.2.2 对900 ℃、315 MPa持久性能的影响

8为不同B含量K417G合金的900 ℃、315 MPa持久性能。可以看出,当B含量由0.0017%增加至0.0059%时,持久寿命和塑性急剧提高。当B含量在0.0059%至0.036%范围内时,持久寿命随B含量增加趋势稍有变缓,持久塑性无明显的规律性变化。B含量超过0.036%后,持久寿命和塑性迅速降低。

图8

图8   不同B含量K417G合金900 ℃、315 MPa持久性能

Fig.8   Stress rupture properties at 900 ℃ and 315 MPa of K417G alloy with different B contents


9为不同B含量K417G合金的持久断口宏观形貌和显微形貌的SEM像。从图9a、c和e可以看出,当B含量小于等于0.0017%时,持久断口呈波纹状花样(图9a);当B含量处于0.016%至0.036%之间时,波纹状花样仅在局部存在(图9c);当B含量为0.060%时,波纹状特征又有所增强(图9e)。由图9b、d和f可以看出,当B含量为0.0017%时,晶界裂纹连续扩展(图9b);当B含量为0.036%时,持久裂纹沿晶界断续扩展(图9d);当B含量为0.060%时,持久裂纹主要在(γ+γ΄)共晶前沿萌生和扩展(图9f)。

图9

图9   K417G合金900 ℃、315 MPa持久试样宏观断口及纵截面形貌的SEM像

Fig.9   SEM images showing the macrostructures at facture surfaces (a, c, e) and longitudinal sections (b, d, f) of the samples tensiled to rupture at 900 ℃ and 315 MPa in K417G alloy with 0.0017%B (a, b), 0.036%B (c, d) and 0.060%B (e, f)


3 分析讨论

3.1 B含量对凝固偏析和铸态组织的影响机制

研究[4,5]表明,B具有比较强烈的偏析倾向,凝固过程中倾向于向剩余液体中偏聚,阻碍合金的凝固。随着凝固的进行,剩余液体越来越少,B在剩余液体中的浓度越来越高,对凝固过程的影响也越来越大。本工作进一步证实B对凝固后期(γ+γ')共晶析出温度的影响程度远高于其对凝固初期γ相析出温度的影响(图5),并且强烈地促进(γ+γ')共晶的析出(图3和4)。因此,过去一直将研究的重点放在B对终凝温度或凝固后期的影响,对凝固前期的影响则有所忽略[23]。但是,如图1所示,随B含量提高,K417G合金的晶粒呈现先粗化然后细化的变化过程。晶粒组织决定于基体γ相的形核和长大,所以图1说明B对合金凝固的早期,即在基体γ相形核阶段就可能产生明显的影响。如图5所示,B含量由0.0017%增加至0.036%,K417G合金基体γ相的析出温度由1337 ℃降低为1332 ℃,说明B具有抑制基体γ相形核的作用。图1也表明,B含量增加至0.036%时,合金的晶粒明显粗化,与B降低基体γ相形核的作用相吻合。但是,当B含量升高至0.060%后,合金的晶粒变得粗细不均,局部明显细化(图1d),这似乎又否定了B降低γ相形核率的结论。高温熔体注入铸模后,首先在模壁上形核并在热流的引导下向铸模心部生长。从试样外缘处的晶粒组织看,晶粒数量是随B含量增加而减少的。如图1d所示,含0.060%B合金左下角的晶粒宽度很大,但向内部生长的深度很浅,而其它低B含量合金的晶粒几乎生长到中心部位。这说明,B含量进一步增加后,其抑制基体γ相形核的作用仍然有效,但同时抑制晶粒长大的作用也变得更强。由于B阻碍基体γ相的生长,其放出的凝固潜热减少,试样内部的液体可以获得较高的过冷度。同时由于基体的生长速率较慢,试样内部的液体中B的偏聚并不严重。因此,γ相得以在高B含量试样内部形核,局部晶粒又有细化的趋势(图1d)。

3.2 B含量对力学性能的影响机制

试样拉伸过程中,当拉应力升高到一定水平后,位错开动并导致塑性变形,此时应力达到了屈服强度。当晶界析出物较多的时候,位错开动的阻力增大,合金的屈服强度随之增大。如图4所示,随B含量增加,晶界硼化物析出显著增多,对位错开动的阻力增大,所以K417G合金的屈服强度随B含量的增加而升高(图6a)。

图7b所示,B含量为0.0017%的K417G合金拉伸断裂试样不仅呈典型的沿晶断裂特征,并且二次裂纹相对较多,说明晶界裂纹容易萌生和扩展。该合金的断口呈明显的波纹状特征(图7a),这应该是沿晶断裂暴露出的枝晶表面。B含量增加至0.036%时,虽然试样仍呈沿晶断裂特征(图7d),但断口上的波纹状特征有所减弱,说明晶粒在断裂前发生了较大的变形,即晶界强度有所增强。如图6b所示,B含量由0.0017%增加至0.036%时,合金的拉伸塑性显著升高,证实了以上分析。B含量增加至0.060%时,断口上的波纹状特征又明显增强(图7f),说明晶界裂纹又变得容易萌生和扩展。此时拉伸塑性也显著降低(图6b),说明晶界强度有所降低,晶粒变形程度有所减小。

10为不同B含量K417G合金拉伸断口高倍形貌及断口纵截面形貌的SEM像。图10表明,以上断裂特征源于硼化物在晶界析出的变化。与B含量为0.0017%合金相比(图10a),B含量为0.036%合金的断口表面呈现较多类似解理的小平面(图10b),这应该是硼化物碎裂或沿其表面开裂留下的痕迹(图10c),这同时也说明硼化物可以阻碍裂纹的扩展。如图4所示,随B含量增加,晶界硼化物析出增多,因此可以有效地阻碍裂纹沿晶界的扩展。但是,当B含量达到0.060%时,晶界上暴露出较多光滑的平面,间或出现“蚁卵”状组织(图10d)。如图7f所示,含0.060%B的K417G合金的裂纹倾向于在(γ+γ')共晶前沿萌生和扩展。如图4e所示,该合金的共晶前沿有共晶态硼化物析出。因此可以推测,共晶态硼化物与共晶前沿所形成的界面结合强度较低,拉伸过程中容易开裂,“蚁卵”状组织从形态上看应该是共晶前沿析出的共晶态硼化物。含0.060%B合金的拉伸断裂强度和塑性均较低(图6),也说明共晶态硼化物和(γ+γ')共晶之间的界面结合强度较低。

图10

图10   K417G合金拉伸断口显微组织及纵截面形貌的SEM像

Fig.10   SEM images showing the microstructures at fracture surfaces (a, b, d) and longitudinal section (c) of the samples tensiled to rupture at 900 ℃ in K417G alloy with 0.0017%B (a), 0.036%B (b, c) and 0.060%B (d)


图6a所示,尽管B含量低于0.036%时可以显著提高K417G合金的拉伸屈服强度,但对拉伸断裂强度却没有明显影响。如图7所示,所有合金的拉伸试样均呈沿晶断裂方式。K417G合金900 ℃拉伸过程中,裂纹很可能是在缺乏硼化物强化的薄弱晶界处首先萌生,因此低B含量合金拉伸断口附近的二次裂纹最多。B含量增加之后,虽然硼化物析出增多,但仍然存在缺乏硼化物析出的晶界,裂纹仍可在这些缺乏硼化物析出的晶界处萌生。因此,K417G合金的断裂强度主要取决于晶界本征强度,B含量的影响较小。但是,当B含量达到0.060%以后,可能是由于共晶态硼化物与(γ+γ')共晶之间界面的结合强度低于晶界强度,所以K417G合金的断裂强度明显降低。

持久寿命对于晶界强度更加敏感。当B含量低于0.036%时,由于随B含量的增加硼化物析出增多,对晶界的强化作用增强,所以K417G合金的持久寿命随B含量增加显著延长。由于晶界强度的增强,持久过程中晶内的蠕变量必然增大,所以B含量提高对持久塑性也有有益影响。当B含量达到0.060%以后,由于共晶态硼化物显著降低界面强度,所以持久寿命和塑性迅速降低。

综上所述,当硼化物以独立的颗粒状析出时,对晶界具有较强的强化作用,因此可以提高K417G合金的拉伸和持久性能;当共晶态硼化物析出时,则显著地弱化晶界并降低拉伸和持久性能。实际生产过程中,B含量和凝固速率二者共同决定其对凝固偏析的影响,根据本工作的结果,以不析出共晶态硼化物为宜。对于截面尺寸较小或冷却速率较快的铸件,K417G合金的B含量可以向成分上限控制,以析出更多的颗粒状硼化物强化晶界,提高合金的拉伸和持久性能。对于尺寸较大或凝固速率较低的铸件,K417G合金的B含量可以向成分中线或下限控制,以避免共晶态硼化物析出,恶化合金性能。

综上所述,本工作表明,可以通过控制B含量和凝固过程来控制硼化物的析出形态,充分发挥B的有益作用,避免其有害作用。

4 结论

(1) B降低基体γ相的析出温度和形核率并导致K417G合金铸态组织粗化;B含量过高(≥0.060%)时,显著阻碍γ相枝晶的早期生长,导致熔体内部由于过冷度升高而形核,局部晶粒组织细化。

(2) 当B含量低于0.036%时,硼化物以颗粒状在晶界析出并对晶界产生强化作用,K417G合金的900 ℃拉伸性能和900 ℃、315 MPa持久性能随B含量的升高而显著提高。当B含量达到0.060%时,共晶态硼化物在(γ+γ')前沿析出,导致共晶硼化物与(γ+γ')的界面显著弱化,拉伸和持久性能显著降低。

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