浇注温度对GH625合金铸态显微组织的影响

工程科学学报，第37卷，第11期：1469-1476,2015年11月 Chinese Journal of Engineering,Vol.37,No.11:1469-1476,November 2015 D0l:10.13374/j.issn2095-9389.2015.11.012:http://journals..ustb.edu.cn 浇注温度对GH625合金铸态显微组织的影响 王浩宇)四，董建新》，张麦仓”，郑磊”，姚志浩”，章清泉) 1)北京科技大学材料科学与工程学院，北京1000832)北京北治功能材料有限公司，北京100192 ☒通信作者，E-mail:dazhourenwhy(@l63.com 摘要基于Thermo-Calc热力学模拟软件、扫描电镜和能谱仪等实验手段，研究GH625合金铸态试样棒的显微组织，并对 比讨论浇注温度对其显微组织的影响规律.GH625合金的铸态显微组织为发达的树枝晶，枝晶间可见δ相与M,C型碳化物 伴生析出.一次枝晶臂间距入，和二次枝晶臂间距入2均随着浇注温度的升高而增大，而枝晶偏析程度则同时受扩散时间和扩 散距离两方面因素的共同作用，综合相互作用导致1420℃浇注试样里Nb元素高度偏析，为枝晶间δ相的大量析出提供有利 的浓度条件.因此，在制定浇注工艺时，需要综合考虑扩散时间和扩散距离的影响程度，选取合适的浇注温度（或者冷却 速率). 关键词镍基高温合金：浇注：温度：微观组织：微观偏析 分类号TG244.1 Effect of casting temperature on the microstructure of as-cast GH625 alloy WANG Hao-yu,DONG Jian-xin,ZHANG Mai-eang",ZHENG Lei,YAO Zhi-hao",ZHANG Qing-quan? 1)School of Materials Science and Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Beijing Beiye Functional Materials Corporation,Beijing 100192,China Corresponding author,E-mail:dazhourenwhy@163.com ABSTRACT The microstructure of as-cast GH625 alloy was investigated on the basis of experimental methods such as Thermo-Calc software,scanning electron microscopy and energy dispersive spectroscopy.The effect of casting temperature on the microstructure was also analyzed by comparing different samples.The microstructure of as-east GH625 alloy is a dendritic structure and MC carbides accompanied with phase precipitate in the interdendritic area.Both primary dendrite arm spacing (A)and second dendrite arm spacing (A)increase with the increase of casting temperature:however,the microsegregation is affected by both diffusion distance and diffusion time.The comprehensive interaction of these two factors leads to the greatest microsegregation degree of Nb at 1420C. which contributes to 8 phase precipitation in the interdendritic area.As a result,diffusion distance and diffusion time should be comprehensively considered in making the casting process,so as to choose a proper casting temperature (or cooling rate). KEY WORDS nickel base superalloys:casting:temperature:microstructure:microsegregation GH625合金是以铬、钼和铌为主要强化元素的固环节的研究已较为详尽。周海涛等四通过系统研究 溶强化型镍基高温合金，具有优良的耐腐蚀、抗氧化性 GH625合金在热加工过程中的动态再结晶行为，建立 能以及良好的力学性能，其合金管材主要应用于燃气 了相应的动态再结晶模型，为科学制定热加工工艺提 涡轮发动机、宇航发动机、核动力设备等领域，是发动 供了理论依据.值得注意的是，GH625合金的这些研 机机匣、导向叶片、燃油总管等零部件的制造材料四. 究成果几乎都选择锻棒作为研究的起始点，而关于合 作为一种典型的变形高温合金，GH625在热加工 金铸态显微组织的分析以及浇注温度对其影响规律的 收稿日期：201407-30 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51571012)

工程科学学报，第 37 卷，第 11 期: 1469--1476，2015 年 11 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 37，No． 11: 1469--1476，November 2015 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2015． 11． 012; http: / /journals． ustb． edu． cn 浇注温度对 GH625 合金铸态显微组织的影响 王浩宇1) ，董建新1) ，张麦仓1) ，郑 磊1) ，姚志浩1) ，章清泉2) 1) 北京科技大学材料科学与工程学院，北京 100083 2) 北京北冶功能材料有限公司，北京 100192  通信作者，E-mail: dazhourenwhy@ 163． com 摘 要 基于 Thermo-Calc 热力学模拟软件、扫描电镜和能谱仪等实验手段，研究 GH625 合金铸态试样棒的显微组织，并对 比讨论浇注温度对其显微组织的影响规律． GH625 合金的铸态显微组织为发达的树枝晶，枝晶间可见 δ 相与 M6C 型碳化物 伴生析出． 一次枝晶臂间距 λ1 和二次枝晶臂间距 λ2 均随着浇注温度的升高而增大，而枝晶偏析程度则同时受扩散时间和扩 散距离两方面因素的共同作用，综合相互作用导致 1420 ℃浇注试样里 Nb 元素高度偏析，为枝晶间 δ 相的大量析出提供有利 的浓度条件． 因此，在制定浇注工艺时，需要综合考虑扩散时间和扩散距离的影响程度，选取合适的浇注温度( 或者冷却 速率) ． 关键词 镍基高温合金; 浇注; 温度; 微观组织; 微观偏析 分类号 TG244 + . 1 Effect of casting temperature on the microstructure of as-cast GH625 alloy WANG Hao-yu1)  ，DONG Jian-xin1) ，ZHANG Mai-cang1) ，ZHENG Lei1) ，YAO Zhi-hao1) ，ZHANG Qing-quan2) 1) School of Materials Science and Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) Beijing Beiye Functional Materials Corporation，Beijing 100192，China  Corresponding author，E-mail: dazhourenwhy@ 163． com ABSTＲACT The microstructure of as-cast GH625 alloy was investigated on the basis of experimental methods such as Thermo-Calc software，scanning electron microscopy and energy dispersive spectroscopy． The effect of casting temperature on the microstructure was also analyzed by comparing different samples． The microstructure of as-cast GH625 alloy is a dendritic structure and M6C carbides accompanied with δ phase precipitate in the interdendritic area． Both primary dendrite arm spacing ( λ1 ) and second dendrite arm spacing ( λ2 ) increase with the increase of casting temperature; however，the microsegregation is affected by both diffusion distance and diffusion time． The comprehensive interaction of these two factors leads to the greatest microsegregation degree of Nb at 1420 ℃， which contributes to δ phase precipitation in the interdendritic area． As a result，diffusion distance and diffusion time should be comprehensively considered in making the casting process，so as to choose a proper casting temperature ( or cooling rate) ． KEY WOＲDS nickel base superalloys; casting; temperature; microstructure; microsegregation 收稿日期: 2014--07--30 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 51571012) GH625 合金是以铬、钼和铌为主要强化元素的固 溶强化型镍基高温合金，具有优良的耐腐蚀、抗氧化性 能以及良好的力学性能，其合金管材主要应用于燃气 涡轮发动机、宇航发动机、核动力设备等领域，是发动 机机匣、导向叶片、燃油总管等零部件的制造材料［1］． 作为一种典型的变形高温合金，GH625 在热加工 环节的研究已较为详尽． 周海涛等［2］ 通过系统研究 GH625 合金在热加工过程中的动态再结晶行为，建立 了相应的动态再结晶模型，为科学制定热加工工艺提 供了理论依据． 值得注意的是，GH625 合金的这些研 究成果几乎都选择锻棒作为研究的起始点，而关于合 金铸态显微组织的分析以及浇注温度对其影响规律的

·1470… 工程科学学报，第37卷，第11期 研究则比较少见。但是，其他合金的研究结果表 并借助能谱仪对合金的主要化学元素进行半定量表 明：浇注温度的改变会导致铸态显微组织发生变 征，以分析元素的偏析特征. 化，主要体现在枝晶形貌的演变和枝晶臂间距的变化 表1GH625合金的化学成分（质量分数） 为此，本文选取GH625合金铸态试样棒为对象，对比 Table 1 Chemical composition of GH625 superalloy% 研究了不同浇注温度对其显微组织的影响规律，以期 Cr Mo Nb Fe Al Ti Ni 为合金的浇注工艺设计提供实验依据. 0.05621.438.803.490.110.180.04余量 1实验材料及方法 2 实验用GH625合金采用真空感应熔炼(VIM)加 实验结果与分析 电渣重熔(ESR)双联工艺进行治炼，然后分别在 2.1铸态显微组织特征 1380、1420和1450℃的温度下浇注成Φ12mm的试样 2.1.1凝固路径模拟计算 棒，其化学成分见表1.采用线切割的方法从上述试样 基于Sheil--Gulliver凝固模型，采用Thermo-Cale 棒的中部截取金相试样，经过砂纸磨光和机械抛光后， 热力学模拟软件和配套的镍基数据库，可以对GH625 用5gCuS0,+10mLH,S0,+50 mL HCI溶液进行显微 合金的凝固过程进行模拟计算，以揭示凝固过程中各 组织侵蚀.然后利用扫描电镜观察试样的显微组织， 种析出相的析出规律，如图1所示. 1190 (a (b) 185 1180 1300 1175 1170 1250 1160 1200 1155 1167 H8 1150 1145 MC 0 20 40 60 8093100 1140 9292.7 9494.79697.298 100 固相质量分数/% 固相质量分数/% 图1GH625合金凝固过程的模拟计算.(a)全局图：(b)局部图 Fig.1 Solidification process simulation of GH625 alloy:(a)global graph:(b)local graph 从图1的计算结果可以看出：在GH625合金凝 22 20 固过程中，当温度降到1356℃时，液相中最先析出y Cr 18 基体：当温度降低到1167℃时，固相质量分数达到 16 92.7%,δ相开始从残余液相中析出，液相中同时析 出y基体和δ相两种固相：当温度降低至1155℃时， 固相质量分数达到94.7%，这时MC型碳化物开始 8 Mo 析出，析出的固相为Y+8+M。C:温度进一步降低到 6 Nb 1149℃，σ相开始从残余液相中析出，直到凝固 4 2 结束. 20 4060 80 100 GH625合金在凝固过程中，伴随着δ相、M.C型 液相质量分数/% 碳化物和g相的析出，还会发生Cr、Mo、Nb等主要合 金元素的再分配.故采用Thermo-Cale软件模拟计算 图2GH625合金凝固过程中元素的再分配规律 Fig.2 Calculated curves of element redistribution during solidifica- 了GH625合金凝固过程中随温度和液相质量分数变 tion 化的元素再分配规律，如图2所示. 由图2可见：随着液相质量分数的减小，液相中 枝晶干区域. Mo和Nb的含量呈快速增加的趋势；而Cr的含量变化 进一步分析凝固过程中液相中不同元素的含量变 趋势则相反.在凝固的最后阶段，液相中Mo和Nb的 化可知：液相中Cr的质量分数从凝固初期的21.43% 含量达到极大值，而C的含量达到极小值.由此说明 降至凝固末期的15.60%，减少了27%：液相中Mo和 Mo和Nb主要偏析于枝晶间区域，而C则主要偏析于 Nb的质量分数则从凝固初期的8.80%和3.49%，增

工程科学学报，第 37 卷，第 11 期 研究 则 比 较 少 见． 但 是，其他合金的研究结果表 明［3--8］: 浇注温度的改变会导致铸态显微组织发生变 化，主要体现在枝晶形貌的演变和枝晶臂间距的变化． 为此，本文选取 GH625 合金铸态试样棒为对象，对比 研究了不同浇注温度对其显微组织的影响规律，以期 为合金的浇注工艺设计提供实验依据． 1 实验材料及方法 实验用 GH625 合金采用真空感应熔炼( VIM) 加 电渣重 熔 ( ESＲ) 双 联 工 艺 进 行 冶 炼，然 后 分 别 在 1380、1420 和 1450 ℃ 的温度下浇注成 12 mm 的试样 棒，其化学成分见表 1． 采用线切割的方法从上述试样 棒的中部截取金相试样，经过砂纸磨光和机械抛光后， 用 5 g CuSO4 + 10 mL H2 SO4 + 50 mL HCl 溶液进行显微 组织侵蚀． 然后利用扫描电镜观察试样的显微组织， 并借助能谱仪对合金的主要化学元素进行半定量表 征，以分析元素的偏析特征． 表 1 GH625 合金的化学成分( 质量分数) Table 1 Chemical composition of GH625 superalloy % C Cr Mo Nb Fe Al Ti Ni 0. 056 21. 43 8. 80 3. 49 0. 11 0. 18 0. 04 余量 2 实验结果与分析 2. 1 铸态显微组织特征 2. 1. 1 凝固路径模拟计算 基于 Sheil--Gulliver 凝 固 模 型，采 用 Thermo-Calc 热力学模拟软件和配套的镍基数据库，可以对 GH625 合金的凝固过程进行模拟计算，以揭示凝固过程中各 种析出相的析出规律，如图 1 所示． 图 1 GH625 合金凝固过程的模拟计算． ( a) 全局图; ( b) 局部图 Fig． 1 Solidification process simulation of GH625 alloy: ( a) global graph; ( b) local graph 从图 1 的计算结果可以看出: 在 GH625 合金凝 固过程中，当温度降到 1356 ℃ 时，液相中最先析出 γ 基体; 当温度降低到 1167 ℃ 时，固 相 质 量 分 数 达 到 92. 7% ，δ 相开始从残余液相中析出，液相中同时析 出 γ 基体和 δ 相两种固相; 当温度降低至 1155 ℃ 时， 固相质量分数达到 94. 7% ，这时 M6C 型碳化物开始 析出，析出的固相为 γ + δ + M6C; 温度进一步降低到 1149 ℃ ，σ 相 开 始 从 残 余 液 相 中 析 出，直 到 凝 固 结束． GH625 合金在凝固过程中，伴随着 δ 相、M6C 型 碳化物和 σ 相的析出，还会发生 Cr、Mo、Nb 等主要合 金元素的再分配． 故采用 Thermo-Calc 软件模拟计算 了 GH625 合金凝固过程中随温度和液相质量分数变 化的元素再分配规律，如图 2 所示． 由图 2 可见: 随着液相质量分数的减小，液相中 Mo 和 Nb 的含量呈快速增加的趋势; 而 Cr 的含量变化 趋势则相反． 在凝固的最后阶段，液相中 Mo 和 Nb 的 含量达到极大值，而 Cr 的含量达到极小值． 由此说明 Mo 和 Nb 主要偏析于枝晶间区域，而 Cr 则主要偏析于 图 2 GH625 合金凝固过程中元素的再分配规律 Fig． 2 Calculated curves of element redistribution during solidifica￾tion 枝晶干区域． 进一步分析凝固过程中液相中不同元素的含量变 化可知: 液相中 Cr 的质量分数从凝固初期的 21. 43% 降至凝固末期的 15. 60% ，减少了 27% ; 液相中 Mo 和 Nb 的质量分数则从凝固初期的 8. 80% 和 3. 49% ，增 · 0741 ·

王浩宇等：浇注温度对GH625合金铸态显微组织的影响 1471 至凝固末期的15.31%和16.58%，分别增长了74%和 2.1.2铸态试样的显微组织 3.75倍.由此可以从模拟计算的角度出发，定性预测 实验用GH625合金铸态试样棒的显微组织如图3 GH625合金在凝固过程中，Cr、Mo和Nb的微观偏析 所示.从图中可以看出，GH625合金铸态组织为发达的 程度由大到小依次为Nb>Mo>Cr. 树枝晶，其中白亮的区域为枝晶干，黑色区域为枝晶间. 100m 5 pm 图3GH625合金铸态试样的显微组织（扫描电镜结果）.(a)枝品组织：(b)枝品间8相 Fig.3 Microstructures of as-east GH625 alloy (SEM):(a)dendritic structure:(b)phase in the interdendritie area 进一步放大观察，可以看到在枝晶间区域分布有 表2GH625合金枝品间8相的化学成分（原子数分数） 大量的针状析出相，并交叉形成团簇状.利用扫描电 Table 2 Chemical composition of 8 phase in the interdendritic area of 镜的能谱仪对其进行成分分析，结果如表2所示.将 as-cast GH625 alloy % 其与GH625合金的名义成分对比可知：b在该针状 Cr Mo Nb Ti Al 析出相中发生明显的富集，而Cr和Mo则发生一定程 13.78 4.13 19.33 0.08 0.05 62.63 度的贫化，且析出相中N和Nb的原子数比接近3：1. 结合该析出相的形貌特征和Thermo-Cale的计算结果 到不同形状的碳化物与8相伴生析出的现象，如图4 可以判断：该针状析出相为8相，化学式可以表示为 所示.一种碳化物呈类葫芦形状（见图4(a)),几何尺 N,Nb,其在合金的凝固过程中，主要在富Nb的枝晶 寸约为10m:另一种碳化物为不规则的大块状（见 间区域析出网 图4(b)),几何尺寸约为18m.通过扫描电镜的能谱 此外，在GH625合金枝晶间的局部区域，还观察 仪可以分析上述两种碳化物的成分，结果如表3所示 5 um 图4GH625合金枝品间碳化物与8相伴生（扫描电镜结果）.(a)葫芦状碳化物：(b)大块状碳化物 Fig.4 Carbides accompanied with 8 phase in the interdendritic area of as-cast GH625 alloy (SEM):(a)gourd shape carbide:(b)mass shape car- bide 表3GH625合金枝品间碳化物的化学成分（原子数分数） Table 3 Chemical composition of carbides in the interdendritic area of as-cast GH625 alloy 种类 Mo Nb Ni 化学式 葫芦状碳化物 12.09 34.42 3.15 3.72 46.62 (Cr2.s Moo.26 Nba Ni)C 大块状碳化物 13.62 27.25 8.97 9.33 40.83 (Cr2.00 Moo.66 Nbo.6 Nizo)C 根据上述能谱分析结果并结合Thermo-Calc的计 Ni、Mo、Nb等金属元素，尤其是Cr元素在该碳化物中 算结果可知：GH625合金枝晶间与8相伴生的两种形 有很高的溶解度. 状的碳化物均为M。C型碳化物.其中，M主要是C、 对比枝晶间8相与M。C型碳化物的化学成分，可

王浩宇等: 浇注温度对 GH625 合金铸态显微组织的影响 至凝固末期的 15. 31% 和 16. 58% ，分别增长了 74% 和 3. 75 倍． 由此可以从模拟计算的角度出发，定性预测 GH625 合金在凝固过程中，Cr、Mo 和 Nb 的微观偏析 程度由大到小依次为 Nb ＞ Mo ＞ Cr． 2. 1. 2 铸态试样的显微组织 实验用 GH625 合金铸态试样棒的显微组织如图 3 所示． 从图中可以看出，GH625 合金铸态组织为发达的 树枝晶，其中白亮的区域为枝晶干，黑色区域为枝晶间． 图 3 GH625 合金铸态试样的显微组织( 扫描电镜结果) ． ( a) 枝晶组织; ( b) 枝晶间 δ 相 Fig． 3 Microstructures of as-cast GH625 alloy ( SEM) : ( a) dendritic structure; ( b) δ phase in the interdendritic area 进一步放大观察，可以看到在枝晶间区域分布有 大量的针状析出相，并交叉形成团簇状． 利用扫描电 镜的能谱仪对其进行成分分析，结果如表 2 所示． 将 其与 GH625 合金的名义成分对比可知: Nb 在该针状 析出相中发生明显的富集，而 Cr 和 Mo 则发生一定程 度的贫化，且析出相中 Ni 和 Nb 的原子数比接近 3∶ 1． 结合该析出相的形貌特征和 Thermo-Calc 的计算结果 可以判断: 该针状析出相为 δ 相，化学式可以表示为 Ni3Nb，其在合金的凝固过程中，主要在富 Nb 的枝晶 间区域析出［9］． 此外，在 GH625 合金枝晶间的局部区域，还观察 表 2 GH625 合金枝晶间 δ 相的化学成分( 原子数分数) Table 2 Chemical composition of δ phase in the interdendritic area of as-cast GH625 alloy % Cr Mo Nb Ti Al Ni 13. 78 4. 13 19. 33 0. 08 0. 05 62. 63 到不同形状的碳化物与 δ 相伴生析出的现象，如图 4 所示． 一种碳化物呈类葫芦形状( 见图 4( a) ) ，几何尺 寸约为 10 μm; 另一种碳化物为不规则的大块状( 见 图 4( b) ) ，几何尺寸约为 18 μm． 通过扫描电镜的能谱 仪可以分析上述两种碳化物的成分，结果如表 3 所示． 图 4 GH625 合金枝晶间碳化物与 δ 相伴生( 扫描电镜结果) ． ( a) 葫芦状碳化物; ( b) 大块状碳化物 Fig． 4 Carbides accompanied with δ phase in the interdendritic area of as-cast GH625 alloy ( SEM) : ( a) gourd shape carbide; ( b) mass shape car￾bide 表 3 GH625 合金枝晶间碳化物的化学成分( 原子数分数) Table 3 Chemical composition of carbides in the interdendritic area of as-cast GH625 alloy % 种类 C Cr Mo Nb Ni 化学式 葫芦状碳化物 12. 09 34. 42 3. 15 3. 72 46. 62 ( Cr2. 85Mo0. 26Nb0. 31Ni3. 86 ) C 大块状碳化物 13. 62 27. 25 8. 97 9. 33 40. 83 ( Cr2. 00Mo0. 66Nb0. 69Ni3. 00 ) C 根据上述能谱分析结果并结合 Thermo-Calc 的计 算结果可知: GH625 合金枝晶间与 δ 相伴生的两种形 状的碳化物均为 M6C 型碳化物． 其中，M 主要是 Cr、 Ni、Mo、Nb 等金属元素，尤其是 Cr 元素在该碳化物中 有很高的溶解度． 对比枝晶间 δ 相与 M6C 型碳化物的化学成分，可 · 1741 ·

·1472· 工程科学学报，第37卷，第11期 以初步解释两者伴生析出的原因：当枝晶间析出δ相 样棒的微观组织均为发达的树枝晶，不同浇注温度对 时，主要富集Nb而贫Cr和Mo,大量的Cr原子被排斥 枝晶形貌的影响规律主要表现在浇注温度越高，二次 到8相周围，从而为富含C的MC型碳化物的形核 枝晶的生长越发达.1450℃浇注的试样可见明显的二 创造有利的浓度条件. 次枝晶：而1380℃浇注的试样有很大部分区域只有一 2.2不同浇注温度对显微组织的影响 次枝晶，未见二次枝晶 2.2.1不同浇注温度对枝晶组织的影响 通过“枝晶法”测量不同浇注温度试样的一次枝 图5为不同浇注温度的GH625合金铸态试样棒 晶臂间距入，和二次枝晶臂间距入2（如图6所示），可 的枝晶组织.从图5的结果可知：GH625合金铸态试 以定量分析浇注温度对枝晶臂间距的影响规律. 500μm 500Hm 500um 图5不同浇注温度的GH625合金枝晶组织（扫描电镜结果）.(a)1380℃：(b)1420℃：(c)1450℃ Fig.5 Dendritic structures of as-cast GH625 alloy at different casting temperatures(SEM):(a）1380℃：(b)l420℃：(c)1450℃ Origin软件绘制一次枝晶臂间距入，和二次枝晶臂间距 入2随浇注温度T的变化曲线，如图7所示 从图7可以看出：随着浇注温度升高，GH625合金 的一次枝晶臂间距入，和二次枝晶臂间距入2均逐渐增 大.这主要是因为当合金成分一定时，一次枝晶臂间 距入1和二次枝晶臂间距入2主要受冷却速率的影响， 其关系式可用下式表述a: 500m 入1=ALGD", (1) 入2=B1(G)a (2) 图6一次枝品臂间距A1和二次枝品臂间距入2的测定原则 式中：A,、B,、m和n都是正常数，G为溶质界面前沿的 Fig.6 Measurement principle of primary dendrite arm spacing (A) and secondary dendrite arm spacing (A2) 液相温度梯度，v为枝晶生长速率，则G"为冷却速率. 由此可见，一次枝晶臂间距入，和二次枝晶臂间距入2 图6中平行生长的“短棒状”枝晶干为二次枝晶 与冷却速率成反比. 干，运用Image-Pro可以测量相邻二次枝晶干的垂直距 另据文献1]指出，随着浇注温度的升高，熔体 离，然后对同一试样中不同区域的32个测量结果求平 平均冷却速率逐渐降低.因此，对于不同浇注温度的 均值，所得结果即为该试样的二次枝晶臂间距入2·与 GH625合金试样而言，1380℃浇注的试样冷却速率最 二次枝晶干垂直的“长条状”枝晶干为一次枝晶干，采 高，其一次枝晶臂间距入，和二次枝晶臂间距入2最小， 用相同的方法测量彼此平行的相邻一次枝晶干间距， 其次是1420℃浇注的试样，枝晶臂间距最大的为 并对同一试样中不同区域的16个测量结果求平均值， 1450℃浇注的试样. 所得结果即为该试样的一次枝晶臂间距入1·利用 此外，从图7的对比还可以看出：浇注温度的升高

工程科学学报，第 37 卷，第 11 期 以初步解释两者伴生析出的原因: 当枝晶间析出 δ 相 时，主要富集 Nb 而贫 Cr 和 Mo，大量的 Cr 原子被排斥 到 δ 相周围，从而为富含 Cr 的 M6C 型碳化物的形核 创造有利的浓度条件． 2. 2 不同浇注温度对显微组织的影响 2. 2. 1 不同浇注温度对枝晶组织的影响 图 5 为不同浇注温度的 GH625 合金铸态试样棒 的枝晶组织． 从图 5 的结果可知: GH625 合金铸态试 样棒的微观组织均为发达的树枝晶，不同浇注温度对 枝晶形貌的影响规律主要表现在浇注温度越高，二次 枝晶的生长越发达． 1450 ℃浇注的试样可见明显的二 次枝晶; 而 1380 ℃浇注的试样有很大部分区域只有一 次枝晶，未见二次枝晶． 通过“枝晶法”测量不同浇注温度试样的一次枝 晶臂间距 λ1 和二次枝晶臂间距 λ2 ( 如图 6 所示) ，可 以定量分析浇注温度对枝晶臂间距的影响规律． 图 5 不同浇注温度的 GH625 合金枝晶组织( 扫描电镜结果) ． ( a) 1380 ℃ ; ( b) 1420 ℃ ; ( c) 1450 ℃ Fig． 5 Dendritic structures of as-cast GH625 alloy at different casting temperatures ( SEM) : ( a) 1380 ℃ ; ( b) 1420 ℃ ; ( c) 1450 ℃ 图 6 一次枝晶臂间距 λ1 和二次枝晶臂间距 λ2 的测定原则 Fig． 6 Measurement principle of primary dendrite arm spacing ( λ1 ) and secondary dendrite arm spacing ( λ2 ) 图 6 中平行生长的“短棒状”枝晶干为二次枝晶 干，运用 Image-Pro 可以测量相邻二次枝晶干的垂直距 离，然后对同一试样中不同区域的 32 个测量结果求平 均值，所得结果即为该试样的二次枝晶臂间距 λ2 ． 与 二次枝晶干垂直的“长条状”枝晶干为一次枝晶干，采 用相同的方法测量彼此平行的相邻一次枝晶干间距， 并对同一试样中不同区域的 16 个测量结果求平均值， 所得结 果 即 为 该 试 样 的 一 次 枝 晶 臂 间 距 λ1 ． 利用 Origin软件绘制一次枝晶臂间距 λ1 和二次枝晶臂间距 λ2 随浇注温度 T 的变化曲线，如图 7 所示． 从图 7 可以看出: 随着浇注温度升高，GH625 合金 的一次枝晶臂间距 λ1 和二次枝晶臂间距 λ2 均逐渐增 大． 这主要是因为当合金成分一定时，一次枝晶臂间 距 λ1 和二次枝晶臂间距 λ2 主要受冷却速率的影响， 其关系式可用下式表述［10］: λ1 = ALG － m L v － n ， ( 1) λ2 = BL ( GL v) － n ． ( 2) 式中: AL、BL、m 和 n 都是正常数，GL为溶质界面前沿的 液相温度梯度，v 为枝晶生长速率，则 GL v 为冷却速率． 由此可见，一次枝晶臂间距 λ1 和二次枝晶臂间距 λ2 与冷却速率成反比． 另据文献［11］指出，随着浇注温度的升高，熔体 平均冷却速率逐渐降低． 因此，对于不同浇注温度的 GH625 合金试样而言，1380 ℃ 浇注的试样冷却速率最 高，其一次枝晶臂间距 λ1 和二次枝晶臂间距 λ2 最小， 其次 是 1420 ℃ 浇 注 的 试 样，枝晶臂间距最大的为 1450 ℃浇注的试样． 此外，从图 7 的对比还可以看出: 浇注温度的升高 · 2741 ·

王浩宇等：浇注温度对GH625合金铸态显微组织的影响 ·1473· 440 120 400H 115 110 360 105 320 95 280 240 05 80 200 160. 70 0 1380 14001420 1440 1460 1380 1400 1420 1440 1460 浇注温度( 浇注温度/℃ 图7不同浇注温度试样的一次枝品臂间距A:和二次枝品臂间距A2·(a)A1-T曲线：(b)A2-T曲线 Fig.7 Primary dendrite arm spacing (and second dendrite arm spacing (2)of samples cast at different temperatures:(a)A-T curve:(b) A2-T curve 对一次枝晶臂间距入，的影响程度远远大于对二次枝 2.2.2不同浇注温度对枝晶间δ相的影响 晶臂间距入2的影响.当浇注温度从1380℃升高至 浇注温度的变化除了影响枝晶臂间距，还会对枝 1450℃时，一次枝晶臂间距入，从212.24um增至 晶间δ相的析出数量和形貌特征产生影响.不同浇注 387.15μm,增长约82.4%：而二次枝晶臂间距入2则从 温度的GH625合金铸态试样棒枝晶间δ相析出数量 78.85m增至107.93um,仅增长36.9%. 的对比如图8所示. 枝晶 504 50 um 枝王 50m 图8不同浇注温度的GH625合金枝晶间8相析出数量对比（扫描电镜结果）.(a)1380℃：(b)1420℃：(c)1450℃ Fig.8 Precipitation amount contrast of 8 phase in the interdendritic area of as-east GH625 alloy cast at different temperatures (SEM):(a)1380C: (b)1420℃：(c)1450℃ 值得注意的是，通过对枝晶间8湘数量和分布的仔 特征，如图9所示.1380℃和1450℃浇注的试样中“8 细观察，与枝晶臂间距随浇注温度升高而逐渐增大的 相团簇”均由少量稀疏排列的针状8相交织而成，且8 变化趋势不同，枝晶间8相的析出数量在1420℃浇注 相的长度和宽度分布均较为漫散；与它们不同， 试样中反而达到极大值，而1380℃和1450℃浇注试样 1420℃浇注试样的“δ相团簇”中针状δ相不仅数量明 的8相数量均明显少于1420℃浇注的试样，即1420℃ 显增多、交叉排列更紧密，而且δ相的长度和宽度分布 的浇注温度最有利于枝晶间8相的析出. 也更为集中.由此说明在三组不同浇注温度的试样 进一步研究不同试样的枝晶间“δ相团簇”的形貌 中，由于1420℃浇注最有利于枝晶间8相析出，故形

王浩宇等: 浇注温度对 GH625 合金铸态显微组织的影响 图 7 不同浇注温度试样的一次枝晶臂间距 λ1 和二次枝晶臂间距 λ2 ． ( a) λ1 － T 曲线; ( b) λ2 － T 曲线 Fig． 7 Primary dendrite arm spacing ( λ1 ) and second dendrite arm spacing ( λ2 ) of samples cast at different temperatures: ( a) λ1 － T curve; ( b) λ2 － T curve 对一次枝晶臂间距 λ1 的影响程度远远大于对二次枝 晶臂间距 λ2 的影响． 当浇注温度从 1380 ℃ 升高至 1450 ℃ 时，一次枝晶臂间距 λ1 从 212. 24 μm 增 至 387. 15 μm，增长约 82. 4% ; 而二次枝晶臂间距 λ2 则从 78. 85 μm 增至 107. 93 μm，仅增长 36. 9% ． 2. 2. 2 不同浇注温度对枝晶间 δ 相的影响 浇注温度的变化除了影响枝晶臂间距，还会对枝 晶间 δ 相的析出数量和形貌特征产生影响． 不同浇注 温度的 GH625 合金铸态试样棒枝晶间 δ 相析出数量 的对比如图 8 所示． 图 8 不同浇注温度的 GH625 合金枝晶间 δ 相析出数量对比( 扫描电镜结果) ． ( a) 1380 ℃ ; ( b) 1420 ℃ ; ( c) 1450 ℃ Fig． 8 Precipitation amount contrast of δ phase in the interdendritic area of as-cast GH625 alloy cast at different temperatures ( SEM) : ( a) 1380 ℃ ; ( b) 1420 ℃ ; ( c) 1450 ℃ 值得注意的是，通过对枝晶间#相数量和分布的仔 细观察，与枝晶臂间距随浇注温度升高而逐渐增大的 变化趋势不同，枝晶间 δ 相的析出数量在 1420 ℃ 浇注 试样中反而达到极大值，而 1380 ℃和 1450 ℃浇注试样 的 δ 相数量均明显少于 1420 ℃浇注的试样，即 1420 ℃ 的浇注温度最有利于枝晶间 δ 相的析出． 进一步研究不同试样的枝晶间“δ 相团簇”的形貌 特征，如图 9 所示． 1380 ℃和 1450 ℃浇注的试样中“δ 相团簇”均由少量稀疏排列的针状 δ 相交织而成，且 δ 相的 长 度 和 宽 度 分 布 均 较 为 漫 散; 与 它 们 不 同， 1420 ℃浇注试样的“δ 相团簇”中针状 δ 相不仅数量明 显增多、交叉排列更紧密，而且 δ 相的长度和宽度分布 也更为集中． 由此说明在三组不同浇注温度的试样 中，由于 1420 ℃ 浇注最有利于枝晶间 δ 相析出，故形 · 3741 ·

·1474· 工程科学学报，第37卷，第11期 (a) 5 Hm 5 um 5 um 图9不同浇注温度的GH625合金枝晶间“8相团簇”形貌对比（扫描电镜结果）.(a)1380℃：(b)1420℃：(c)1450℃ Fig.9“8 phase cluster'”contrast in the interdendritic area of as-east CH625 alloy at different temperatures(sEM):(a）)l380℃：(b)l420℃； (c)1450℃ 成的“δ相团簇”不仅几何外形最大，其内部排列的针 2.2.3不同浇注温度对微观偏析的影响 状δ相也最致密 由于GH625合金是以Cr、Mo和Nb为主要强 显然，1420℃的浇注温度处于实验范围的中间 化元素的固溶强化型高温合金，其y'形成元素AI 值，但枝晶间δ相的析出量却达到实验范围的极大值. 和T的含量较低，故枝晶偏析规律的研究重点选 从本质上看，枝晶间8相的析出行为是受外部条件和 取了合金中含量较高的元素Cr、Mo和Nb作为分析 内部因素共同作用的结果，既然浇注温度等外部条件 的对象. 不足以促使1420℃浇注试样的枝晶间δ相的析出量 首先，对不同浇注温度的试样随机选择五个测量 达到极大值，那么元素偏析等内部因素的作用就成为 点，通过能谱仪(EDS)分析各测量点的枝晶干和枝晶 需要着重研究的对象. 间元素的质量分数.然后，将所得结果进行算术平均， 另据2.1.2的研究结果可知，GH625合金枝晶间 得到不同浇注温度试样的枝晶干和枝晶间元素的质量 的8相主要是富Nb而贫Cr和Mo.因此，浇注温度对 分数的平均值(w枝晶干与w枝晶间).最后，计算不 8相析出行为的影响，必然是通过浇注温度对Nb的微 同浇注温度试样的枝晶偏析比K(K=w枝晶间/0枝 观偏析程度的影响而起作用 晶干)，如表4所示 表4不同浇注温度的GH625合金微观偏析的分析 Table 4 Microsegregation of as-cast CH625 alloy cast at different temperatures 枝品干，质量分数/% 枝品间，质量分数/% 枝品偏析比K 浇注温度/℃ Cr Mo Nb Cr Mo Nb Cr 名 Nb 1380 17.51 5.09 1.50 14.18 5.65 5.22 0.81 1.11 3.48 1420 18.94 4.77 1.48 14.02 5.87 2.88 0.74 1.23 1.95 1450 16.71 5.00 1.36 14.23 5.71 4.89 0.85 1.14 3.59 从表4的数据可以得知：不同浇注温度试样中 力学计算来预测合金凝固过程中元素再分配规律的可 C、Mo和Nb的微观偏析规律是一致的，即Cr主要偏 行性. 析于枝晶干，Mo和Nb则主要偏析于枝晶间.从元素 另外，分析浇注温度对元素枝晶偏析的影响规律 的偏析程度来看，b的偏析程度最高，C和Mo的偏 可知：对于Cr和Mo的枝晶偏析而言，1420℃浇注试 析程度相近.实验所得结果与Thermo-Calc模拟计算 样的偏析程度明显大于1380℃和1450℃浇注的试样. 的结果（参见图2）是一致的，证实通过Sheil模型的热 但是，Nb的枝晶偏析程度却与之相反，即1420℃浇注

工程科学学报，第 37 卷，第 11 期 图 9 不同浇注温度的 GH625 合金枝晶间“δ 相团簇”形貌对比( 扫描电镜结果) ． ( a) 1380 ℃ ; ( b) 1420 ℃ ; ( c) 1450 ℃ Fig． 9 “δ phase cluster”contrast in the interdendritic area of as-cast GH625 alloy at different temperatures ( SEM) : ( a) 1380 ℃ ; ( b) 1420 ℃ ; ( c) 1450 ℃ 成的“δ 相团簇”不仅几何外形最大，其内部排列的针 状 δ 相也最致密． 显然，1420 ℃ 的浇注温度处于实验范围的中间 值，但枝晶间 δ 相的析出量却达到实验范围的极大值． 从本质上看，枝晶间 δ 相的析出行为是受外部条件和 内部因素共同作用的结果，既然浇注温度等外部条件 不足以促使 1420 ℃ 浇注试样的枝晶间 δ 相的析出量 达到极大值，那么元素偏析等内部因素的作用就成为 需要着重研究的对象． 另据 2. 1. 2 的研究结果可知，GH625 合金枝晶间 的 δ 相主要是富 Nb 而贫 Cr 和 Mo． 因此，浇注温度对 δ 相析出行为的影响，必然是通过浇注温度对 Nb 的微 观偏析程度的影响而起作用． 2. 2. 3 不同浇注温度对微观偏析的影响 由于 GH625 合 金 是 以 Cr、Mo 和 Nb 为 主 要 强 化元素的 固 溶 强 化 型 高 温 合 金，其 γ' 形 成 元 素 Al 和 Ti 的含 量 较 低，故枝晶偏析规律的研究重点选 取了合金中含量较高的元素 Cr、Mo 和 Nb 作为分析 的对象． 首先，对不同浇注温度的试样随机选择五个测量 点，通过能谱仪( EDS) 分析各测量点的枝晶干和枝晶 间元素的质量分数． 然后，将所得结果进行算术平均， 得到不同浇注温度试样的枝晶干和枝晶间元素的质量 分数的平均值( w 枝晶干与 w 枝晶间) ． 最后，计算不 同浇注温度试样的枝晶偏析比 K ( K = w 枝晶间/w 枝 晶干) ，如表 4 所示． 表 4 不同浇注温度的 GH625 合金微观偏析的分析 Table 4 Microsegregation of as-cast GH625 alloy cast at different temperatures 浇注温度/℃ 枝晶干，质量分数/% 枝晶间，质量分数/% 枝晶偏析比 K Cr Mo Nb Cr Mo Nb Cr Mo Nb 1380 17. 51 5. 09 1. 50 14. 18 5. 65 5. 22 0. 81 1. 11 3. 48 1420 18. 94 4. 77 1. 48 14. 02 5. 87 2. 88 0. 74 1. 23 1. 95 1450 16. 71 5. 00 1. 36 14. 23 5. 71 4. 89 0. 85 1. 14 3. 59 从表 4 的数据可以得知: 不同浇注温度试样中 Cr、Mo 和 Nb 的微观偏析规律是一致的，即 Cr 主要偏 析于枝晶干，Mo 和 Nb 则主要偏析于枝晶间． 从元素 的偏析程度来看，Nb 的偏析程度最高，Cr 和 Mo 的偏 析程度相近． 实验所得结果与 Thermo-Calc 模拟计算 的结果( 参见图 2) 是一致的，证实通过 Sheil 模型的热 力学计算来预测合金凝固过程中元素再分配规律的可 行性． 另外，分析浇注温度对元素枝晶偏析的影响规律 可知: 对于 Cr 和 Mo 的枝晶偏析而言，1420 ℃ 浇注试 样的偏析程度明显大于 1380 ℃和 1450 ℃浇注的试样． 但是，Nb 的枝晶偏析程度却与之相反，即 1420 ℃ 浇注 · 4741 ·

王浩宇等：浇注温度对GH625合金铸态显微组织的影响 1475 试样的偏析程度远远小于1380℃和1450℃浇注的 率为R,扩散距离对枝晶偏析程度的贡献率为R,则 试样. 有R=R,+R·因为浇注温度(T)越高，枝晶臂间距越 3讨论 大，元素扩散距离越长，所以R,随着浇注温度的升高 而增大，如图中R,-T曲线所示；与之相反，浇注温度 从以上实验结果可以看出，浇注温度的变化会导 越高，冷却速率越低，元素扩散时间越长，所以R随着 致GH625合金铸态试样棒的显微组织发生一系列改 浇注温度的升高而减小，如图中R,-T曲线所示.当 变，主要包括：一次枝晶臂间距入，和二次枝晶臂间距 浇注温度逐渐升高（对应的冷却速率(）逐渐降低) 入2随着浇注温度的升高而增大：浇注温度为1420℃时 时，枝晶偏析程度(R)的变化可以划分为三个区域：扩 最有利于枝晶间δ相的析出：C和Mo的枝晶偏析程 散距离控制区、平衡控制区和扩散时间控制区.在扩 度在1420℃浇注试样中最大，而N的枝晶偏析程度 散距离控制区中有1dR/dT1>IdR,/dT1,即随着浇注 却在1420℃浇注试样中最小.因此，要对以上实验结 温度的升高（对应冷却速率的降低），R,增大的程度大 果进行讨论分析，需要综合考虑枝晶臂间距、元素偏析 于R,减小的程度，故总的枝晶偏析程度(R)随着浇注 以及枝晶间析出相随浇注温度的变化规律，探讨浇注 温度的升高而增大：与之相反，在扩散时间控制区中则 温度对GH625合金铸态显微组织的影响机制 有IdR,/dT1R +R 该区浇注温度开高1 R+R'>R+R R R. 晶间凸的浓度在三组试样中最高，为枝晶间大量析 R 该区浇挂温度升高 出富Nb的δ相提供有利的浓度条件.伴随着枝晶间δ R+R>R+R 相的析出，1420℃浇注试样枝晶间Nb的含量明显降 R 低.所以，通过能谱分析枝晶间的化学成分时，由于分 1380℃ 1420℃ 11450℃ 析区域均未包含明显可见的δ相，导致1420℃浇注试 样枝晶间Nb的质量分数明显低于其他两组，进而计 浇注温度T 算得出的“表观”枝晶偏析比在三组试样中最低，如 图10浇注温度（或冷却速率）对枝品偏析程度影响机制的示意图 表4所示. Fig.10 Mechanism diagram of the effect of casting temperature (or 通过以上的分析讨论，阐述了浇注温度对GH625 cooling rate)on microsegregation degree 合金铸态试样棒显微组织的影响机制，明确了枝晶偏 由于枝晶偏析程度(R)受扩散时间和扩散距离两 析程度同时受扩散时间和扩散距离两方面因素的共同 方面因素控制，规定扩散时间对枝晶偏析程度的贡献 作用.因此，在制定浇注工艺时，需要综合考虑扩散时

王浩宇等: 浇注温度对 GH625 合金铸态显微组织的影响 试样的偏析程度远远小于 1380 ℃ 和 1450 ℃ 浇注的 试样． 3 讨论 从以上实验结果可以看出，浇注温度的变化会导 致 GH625 合金铸态试样棒的显微组织发生一系列改 变，主要包括: 一次枝晶臂间距 λ1 和二次枝晶臂间距 λ2 随着浇注温度的升高而增大; 浇注温度为 1420 ℃时 最有利于枝晶间 δ 相的析出; Cr 和 Mo 的枝晶偏析程 度在 1420 ℃浇注试样中最大，而 Nb 的枝晶偏析程度 却在 1420 ℃浇注试样中最小． 因此，要对以上实验结 果进行讨论分析，需要综合考虑枝晶臂间距、元素偏析 以及枝晶间析出相随浇注温度的变化规律，探讨浇注 温度对 GH625 合金铸态显微组织的影响机制． 已有研究结果［12--16］指出，在其他条件一定时，浇 注温度主要影响熔体的冷却速率，而冷却速率对元素 微观偏析程度的影响具有两面性． 一方面是随着冷却 速率减小( 即浇注温度升高) ，枝晶臂间距不断增大， 元素的扩散距离变长，从而不利于通过扩散降低枝晶 偏析． 另一方面则是由于冷却速率减小，熔体凝固时 间延长，元素的扩散时间变长，从而有利于元素通过扩 散降低枝晶偏析． 因此，在一定的冷却速率范围内，随 着冷却速率的减小，当元素的扩散距离主导时，枝晶偏 析程度随冷却速率的减小而逐渐增大． 当元素的扩散 时间主导时，枝晶偏析程度则随着冷却速率的减小而 逐渐减小． 基于上述结论，本文提出了浇注温度( 或冷 却速率) 对枝晶偏析程度影响机制的示意图，如图 10 所示． 图10 浇注温度( 或冷却速率) 对枝晶偏析程度影响机制的示意图 Fig． 10 Mechanism diagram of the effect of casting temperature ( or cooling rate) on microsegregation degree 由于枝晶偏析程度( Ｒ) 受扩散时间和扩散距离两 方面因素控制，规定扩散时间对枝晶偏析程度的贡献 率为 Ｒt，扩散距离对枝晶偏析程度的贡献率为 Ｒλ，则 有 Ｒ = Ｒt + Ｒλ ． 因为浇注温度( T) 越高，枝晶臂间距越 大，元素扩散距离越长，所以 Ｒλ 随着浇注温度的升高 而增大，如图中 Ｒλ － T 曲线所示; 与之相反，浇注温度 越高，冷却速率越低，元素扩散时间越长，所以 Ｒt 随着 浇注温度的升高而减小，如图中 Ｒt － T 曲线所示． 当 浇注温度逐渐升高( 对应的冷却速率( V) 逐渐降低) 时，枝晶偏析程度( Ｒ) 的变化可以划分为三个区域: 扩 散距离控制区、平衡控制区和扩散时间控制区． 在扩 散距离控制区中有 | dＲλ / dT | ＞ | dＲt / dT | ，即随着浇注 温度的升高( 对应冷却速率的降低) ，Ｒλ 增大的程度大 于 Ｒt 减小的程度，故总的枝晶偏析程度( Ｒ) 随着浇注 温度的升高而增大; 与之相反，在扩散时间控制区中则 有| dＲλ / dT | ＜ | dＲt / dT | ，即 Ｒλ 随浇注温度升高而增 大的程度小于 Ｒt 减小的程度，故总的枝晶偏析程度 ( Ｒ) 随着浇注温度的升高而减小; 在两者之间的平衡 控制区中有 | dＲλ / dT | = | dＲt / dT | ，即 Ｒλ 随浇注温度 升高而增大的程度与 Ｒt 减小的程度相近，故总的枝晶 偏析程度( Ｒ) 随浇注温度的变化不大，为枝晶偏析程 度的极大值，如图 10 中 Ｒ － T 曲线所示． 分析图 7 的 实 验 数 据，不难发现当浇注温度从 1380 ℃升高到 1420 ℃ 时，一次枝晶臂间距 λ1 和二次 枝晶臂间距 λ2 随温度的变化率分别为 2. 86 μm·℃ － 1 和 0. 51 μm·℃ － 1 ; 而当 浇 注 温 度 从 1420 ℃ 升 高 到 1450 ℃ 时，λ1 和 λ2 随温度的变化率则为 2. 02 μm·℃ － 1和 0. 29 μm·℃ － 1 ． 显然，1380 ～ 1420℃ 温度范围内的枝晶臂间距随温度的变化速率要明显大 于1420 ～ 1450℃ 温度范围内的变化速率． 同时，元素 偏析结果显示 Cr 和 Mo 的枝晶偏析程度在 1420℃ 浇 注的试样中明显大于1380℃ 和1450℃ 浇注的试样． 因 此，可以认为 1380℃ 的浇注温度处于扩散距离控制 区，1420 ℃的浇注温度处于平衡控制区，而 1450 ℃ 的 浇注温度则处于扩散时间控制区． 正是因为处于平衡 控制区的枝晶偏析程度最大，所以 1420℃ 浇注试样枝 晶间 Nb 的浓度在三组试样中最高，为枝晶间大量析 出富 Nb 的 δ 相提供有利的浓度条件． 伴随着枝晶间 δ 相的析出，1420℃ 浇注试样枝晶间 Nb 的含量明显降 低． 所以，通过能谱分析枝晶间的化学成分时，由于分 析区域均未包含明显可见的 δ 相，导致 1420℃ 浇注试 样枝晶间 Nb 的质量分数明显低于其他两组，进而计 算得出的“表观”枝晶偏析比在三组试样中最低，如 表 4 所示． 通过以上的分析讨论，阐述了浇注温度对 GH625 合金铸态试样棒显微组织的影响机制，明确了枝晶偏 析程度同时受扩散时间和扩散距离两方面因素的共同 作用． 因此，在制定浇注工艺时，需要综合考虑扩散时 · 5741 ·

·1476. 工程科学学报，第37卷，第11期 间和扩散距离的影响程度，选取合适的浇注温度（或 and cooling rate of Al-Si Casting alloys in high pressure die cast- 者冷却速率) ing.Int J Metaleast,2014,8(1)49 Flemings MC.Kattamis TZ,Bardes B P.Dendrite arm spacing 4结论 in aluminum alloys.AFS Trans,1991,99:501 [8]Li X W,Chen T J,Hao Y,et al.Effect of pouring temperature (1)枝晶间有8相和M,C型碳化物相伴析出；Cr on dendrite morphplogies of ZA27 alloy.Foundry,2010,59(7): 主要偏析于枝晶干，Mo和Nb则主要偏析于枝晶间， 704 且Nb的偏析程度最高，C和Mo的偏析程度相近. (李向减，陈体军，郝远，等.浇注温度对ZA27合金枝品形 (2)一次枝晶臂间距入1和二次枝晶臂间距入2均 貌的影响.铸造，2010,59(7)：704) 随着浇注温度的升高而增大，而枝晶偏析程度则同时 Pan X L,Sun W R,Li Z,et al.Solidification characteristics and 受扩散时间和扩散距离两方面因素的共同作用，综合 dendritic segregation of as-east GH742 alloy.Rare Met Mater Eng,2010,39(1):55 相互作用导致1420℃浇注试样中，枝晶间Nb元素的 (潘晓林，孙文儒，李战，等.铸态GH742合金的凝固特点及 高度偏析，为枝晶间8相的大量析出提供有利的浓度 枝品偏析.稀有金属材料与工程，2010,39(1)：55) 条件 [10]Zhang B R,Wang S Y,Wang Y M.Investigation on the second- ary dendrite arm spacing of aluminum engine cylinder head by gravity casting.Foundry Technol,2008,29(11):1546 参考文献 (张炳荣，王斯勇，王一民.重力铸造铝合金发动机缸盖的 [1]Guo Q M,Li D F,Peng H J,et al.Effect of strain rate on the 二次枝晶臂间距研究.铸造技术，2008,29(11)：1546) microstructural evolution of hot deformed GH625 superalloy. 111 Mao W M,Yang J L,Zhao A M,et al.Effect of pouring tem- Univ Sci Technol Beijing,2011,23(5):587 peratures on the microstructures of the semi-solid AlSi Mg alloy (郭青苗，李德富，彭海健，等.应变速率对GH625合金热变 J Unir Sci Technol Beijing,2001,23(1):38 形过程组织演变的影响.北京科技大学学报，2011,23(5)： (毛卫民，杨继莲，赵爱民，等.浇注温度对AS,Mg合金显 587) 微组织的影响.北京科技大学学报，2001,23(1)：38) Zhou H T,Liu ZC,Wen S F,et al.Dynamic reerystallization 02] Gu L Y,Liu Z Y,ShiZ X.Microsegregation of DZ22 superalloy behavior of GH625 superalloy during hot deformation.Rare Met under unidirectional solidification with high temperature gradient Mater Eng,2012,41(11):1917 and rapid growth rate.Chin Nonferrous Met,1996,6(2):110 (周海涛，刘志超，温盛发，等.GH625合金的动态再结品行 (顾林喻，刘忠元，史正兴.高梯度快速定向凝固下DZ22高 为研究.稀有金属材料与工程，2012,41(11)：1917) 温合金的显微偏析.中国有色金属学报，1996,6(2)：110) 3]Xiong Y H.Li PJ,Yang A M,et al.Effects of foundry variables 03] Sarreal J A,Abbaschian G L.The effect of solidification rate on and refiners on cast structures of superalloy K4169:I.Grain microsegregation.Metall Trans A,198,17(16):2063 structures and grain refinement mechanisms.Acta Metall Sin, 041 Milenkovie S,Sabirov I,LLorea J.Effect of the cooling rate on 2002,38(5):534 microstructure and hardness of MAR-M247 Ni-based superalloy (熊玉华，李培杰，杨爱民，等.铸造工艺参数和细化剂对 Mater Lett,2012,73:216 K4169高温合金铸态组织的影响：L.品粒组织及晶粒细化机 5] Wang F,Ma D,Zhang J,et al.Effect of solidification parame- 理.金属学报，2002,38(5)：534) ters on the microstructures of superalloy CMSX6 formed during [4]Shabani M O,Mazahery A.Microstructural prediction of cast the downward directional solidification process.J Cryst Grouth, A356 alloy as a function of cooling rate.JM,2011,63(8):132 2014,389:47 [5]Wang J W.Zhou JX,Tang S Q,et al.Effect of casting tempera- [16]Prabhu K N,Deshapande P,Satyanarayan.Effect of cooling rate ture on as cast microstructure and tensile properties of AS31-Sr al- during solidification of Sn-9Zn lead-free solder alloy on its micro- loy.Adv Mater Res,2014,915 -916:583 structure,tensile strength and ductile-brittle transition tempera- [6]Cho JI,Kim C W.The relationship between dendrite arm spacing ture.Mater Sci Eng A,2012,533:64

工程科学学报，第 37 卷，第 11 期 间和扩散距离的影响程度，选取合适的浇注温度( 或 者冷却速率) ． 4 结论 ( 1) 枝晶间有 δ 相和 M6C 型碳化物相伴析出; Cr 主要偏析于枝晶干，Mo 和 Nb 则主要偏析于枝晶间， 且 Nb 的偏析程度最高，Cr 和 Mo 的偏析程度相近． ( 2) 一次枝晶臂间距 λ1 和二次枝晶臂间距 λ2 均 随着浇注温度的升高而增大，而枝晶偏析程度则同时 受扩散时间和扩散距离两方面因素的共同作用，综合 相互作用导致 1420 ℃ 浇注试样中，枝晶间 Nb 元素的 高度偏析，为枝晶间 δ 相的大量析出提供有利的浓度 条件． 参 考 文 献 ［1］ Guo Q M，Li D F，Peng H J，et al． Effect of strain rate on the microstructural evolution of hot deformed GH625 superalloy． J Univ Sci Technol Beijing，2011，23( 5) : 587 ( 郭青苗，李德富，彭海健，等． 应变速率对 GH625 合金热变 形过程组织演变的影响． 北京科技大学学报，2011，23( 5) : 587) ［2］ Zhou H T，Liu Z C，Wen S F，et al． Dynamic recrystallization behavior of GH625 superalloy during hot deformation． Ｒare Met Mater Eng，2012，41( 11) : 1917 ( 周海涛，刘志超，温盛发，等． GH625 合金的动态再结晶行 为研究． 稀有金属材料与工程，2012，41( 11) : 1917) ［3］ Xiong Y H，Li P J，Yang A M，et al． Effects of foundry variables and refiners on cast structures of superalloy K4169: I． Grain structures and grain refinement mechanisms． Acta Metall Sin， 2002，38( 5) : 534 ( 熊玉华，李培杰，杨爱民，等． 铸造工艺参数和细化剂对 K4169 高温合金铸态组织的影响: I． 晶粒组织及晶粒细化机 理． 金属学报，2002，38( 5) : 534) ［4］ Shabani M O，Mazahery A． Microstructural prediction of cast A356 alloy as a function of cooling rate． JOM，2011，63( 8) : 132 ［5］ Wang J W，Zhou J X，Tang S Q，et al． Effect of casting tempera￾ture on as cast microstructure and tensile properties of AS31--Sr al￾loy． Adv Mater Ｒes，2014，915 － 916: 583 ［6］ Cho J I，Kim C W． The relationship between dendrite arm spacing and cooling rate of Al-Si Casting alloys in high pressure die cast￾ing． Int J Metalcast，2014，8( 1) : 49 ［7］ Flemings M C，Kattamis T Z，Bardes B P． Dendrite arm spacing in aluminum alloys． AFS Trans，1991，99: 501 ［8］ Li X W，Chen T J，Hao Y，et al． Effect of pouring temperature on dendrite morphplogies of ZA27 alloy． Foundry，2010，59( 7) : 704 ( 李向威，陈体军，郝远，等． 浇注温度对 ZA27 合金枝晶形 貌的影响． 铸造，2010，59( 7) : 704) ［9］ Pan X L，Sun W Ｒ，Li Z，et al． Solidification characteristics and dendritic segregation of as-cast GH742 alloy． Ｒare Met Mater Eng，2010，39( 1) : 55 ( 潘晓林，孙文儒，李战，等． 铸态 GH742 合金的凝固特点及 枝晶偏析． 稀有金属材料与工程，2010，39( 1) : 55) ［10］ Zhang B Ｒ，Wang S Y，Wang Y M． Investigation on the second￾ary dendrite arm spacing of aluminum engine cylinder head by gravity casting． Foundry Technol，2008，29( 11) : 1546 ( 张炳荣，王斯勇，王一民． 重力铸造铝合金发动机缸盖的 二次枝晶臂间距研究． 铸造技术，2008，29( 11) : 1546) ［11］ Mao W M，Yang J L，Zhao A M，et al． Effect of pouring tem￾peratures on the microstructures of the semi-solid AlSi7Mg alloy． J Univ Sci Technol Beijing，2001，23( 1) : 38 ( 毛卫民，杨继莲，赵爱民，等． 浇注温度对 AlSi7Mg 合金显 微组织的影响． 北京科技大学学报，2001，23( 1) : 38) ［12］ Gu L Y，Liu Z Y，Shi Z X． Microsegregation of DZ22 superalloy under unidirectional solidification with high temperature gradient and rapid growth rate． Chin J Nonferrous Met，1996，6( 2) : 110 ( 顾林喻，刘忠元，史正兴． 高梯度快速定向凝固下 DZ22 高 温合金的显微偏析． 中国有色金属学报，1996，6( 2) : 110) ［13］ Sarreal J A，Abbaschian G L． The effect of solidification rate on microsegregation． Metall Trans A，1986，17( 16) : 2063 ［14］ Milenkovic S，Sabirov I，LLorca J． Effect of the cooling rate on microstructure and hardness of MAＲ-M247 Ni-based superalloy． Mater Lett，2012，73: 216 ［15］ Wang F，Ma D，Zhang J，et al． Effect of solidification parame￾ters on the microstructures of superalloy CMSX-6 formed during the downward directional solidification process． J Cryst Growth， 2014，389: 47 ［16］ Prabhu K N，Deshapande P，Satyanarayan． Effect of cooling rate during solidification of Sn-9Zn lead-free solder alloy on its micro￾structure，tensile strength and ductile-brittle transition tempera￾ture． Mater Sci Eng A，2012，533: 64 · 6741 ·