D0I:10.13374/j.issn1001053x.1986.s1.007 北京钢铁学院学报 1986年6月 Joarnal of Beijing University Special issue 专辑1 oi Iron and Steel Technology 61,1986,6 奥氏体型高温合金弯曲晶界普遍性的研究 葛占英于文秀杨莲隐孙庆标孙金贵叶锐曾 摘 要 对不同合金化程度的GH161,GH37,GH33镍基高温合金和GH36,GHG9铁基高温合金，采用固 溶后缓冷工艺或固溶后等温工艺处理，结果表明：均可形成弯曲晶界。同时发现形成弯晶的机制不仅与 热处理工艺有关，并与合金成份有关， 关键词：高温合金、弯曲品界.热处理。 Research of Zig-Zag Grain Boundary Universality in Austenitic Superalloys Ge Zhanying Yu Wenxin Yan Lianying Sun Qingbio Sun Jingui Yu Ruizeng Abstract Two kinds of heat-treatment m,thod are used for Ni-base superalloys 3 GH151,GH37,GH33,and Fe-base superalloys GH36 and GH69.The results show that the Zig-Zag grain boundaries are formed in ali these alloys.It has been found that the mechanism of Zig-Zag G.B.formation is dependent not only on heat-treatment method but on compositions of alloys. Key words,superalloys;zigzag grain boundary;heat treatment 前 言 高温合金使用温度较高，特别是在高温、长时应力作用下，蠕变断裂往往与晶界裂纹的 形成和发展有关。因此，晶界在高温状态下是一个薄弱环节，故强化晶界早已引起人们的广 泛重视。〔1一7) 改变晶界形状，使平直的晶界变为锯齿状或弯曲状，即“弯曲晶界”是强化晶界的重要 手段之一。由于弯曲晶界的存在，增大了晶界滑移阻力，提高了晶界裂纹萌生的临界切应力， 51
匀 年 月 北 京 钢 铁 学 院 学 报 。 川 全 ， 专 辑 了 场 ， ， 之醉 沪 奥氏体型高温合金弯曲晶界普遍性的研究 葛 占英 于 文秀 杨莲隐 孙庆标 孙金贵 叶锐曾 摘 要 终邪 对不 同合金化 程 度的 场 ‘ ， 镍基 高温合金和 ， ” 铁基高 温合金 ， 采 用 固 溶后缓冷工艺 或 固溶后 等温工艺处理 ， 结果表呱 均 可形 成 弯曲晶界 。 同时发现形成弯 晶的 机制不仅 与 热处理 工艺 有关 ， 并 与合 金成份有关 。 关键词 高温合金 、 弯曲 晶界 、 热 处理 一 人 。 夕‘ 班 ￡ 。 夕￡ ” ’ 叼’ 犷 尸盯邵叼 》 一 一 ， ， ， 一 五 一 全 一 一 即 了 宜 前 言 诏制 翻 高温 合金使用温度较 高 ， 特别是在高温 、 长时应 力作用 下 ， 蠕变断裂往往 与 晶界裂纹 的 形成和 发展 有关 。 因此 ， 晶界在高温 状态下是一个 薄弱环 节 ， 故强化 晶界早 已引起人们 的广 泛重 视 。 〔 一 〕 改变晶界形 状 ， 使平直 的晶界 变为 锯齿状或 弯曲状 ， 即 “ 弯 曲晶界 ” 是强化 晶界的重要 手段之一 。 由于 弯曲晶界的存在 ， 增大 了晶界滑移阻力 ， 提高了晶界裂纹萌生的 临界 切应力 ， 里 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1986．s1．007
并使晶界裂纹扩展受到弯曲晶界台阶的阻得，从而提高了晶界裂纹扩展的抗力。这就有效地 改善了合金的高温持久断裂强度的塑性。 到目前为止，对于各种类型的高温合金特别是中、低合金化水平的镍基合金及铁基合金 是否都能获得弯曲晶界，尚未见有关报导。 由文献〔？)得知：相同的合金成份，经不同的工艺处理，其弯曲晶界的形成机制截然不 同。在固溶处理后的缓冷工艺中，引起弯曲晶界的主导因素依相的析出顺序而改变。在固溶 处理后的等温工艺中，引起弯曲晶界的主导因素一般为碳化物相。这一结论对于奥氏体型变 形高温合金是否具有普遍性？有待进一步研究。为此，本文将重点研究以下两方面问题： (1)不同类别的奥氏体型变形高温合金弯晶形成的普遍性。 (2)不同合金化程度的镍基合金及铁基合金弯晶形成机制的探讨。 1实验材料和试验方法 广泛开展高温合金弯曲晶界的研究，首先必须搞清弯晶工艺是否普遍适用于各种高温合 金。本文选用以下几种有代表性的合金作为试验用料。即高合金化的镍基变形合金G151、 中合金化的镍基变形合金GH37,低合金化的镍基合金GH33以及铁基变形合金GH36和369 等。其化学成份如表1所示。合金中存在的主要第二相溶解温度列于表2。 表1 合金化学成份 Table 1.Chemical compositions of superalloys Elements Contents Wt Alloy others C Cr Co W MoAl Ti Nb B Zr Ce VFe Ni GH15 0.710.4815.212.672.675.28 2.090.015l0.0450.02 0.60 Balance GH37 0.0015.16 6.033,291.992.10 ≤0.02 Balance GH33 0.0520.30 0.812.64 ≤0.01 0.42 Balance GH36 0.3612.36 1.21 0.04 1,42Ba1- 8.55 8.63Mn arce 0.48Si 13.99 2.380.28 13.42 34G9 0.46 Bal- 0.6Mn 14.15 2.480.29 ance 13.52 0.35Si 表2 合金中主要第二相的溶解度 Table 2 Solvus temperature of major secondary phases in superalloys Secondary phases Alloy Y. MsC M23 Co Ts'C GH151 1200 1180 GH37 1020-1050 1000 GH33 870 1000 GH36 1140 3h69 900 52
并使 晶界裂纹扩 展受 到 弯 曲晶界台 阶 的阻碍 ， 从而提高了晶界裂纹扩 展 的抗 力 。 这就有效 地 改善 了合金 的高温 持 久断 裂强度 的塑性 。 到 目前 为 止 ， 对于各种类型 的 高温 合金 特别 是中 、 低 合金 化水 平 的镍 基 合金 及铁 基 合金 是否都能获得弯 曲 晶界 ， 尚未 见有 关报导 。 由文献〔 〕 得知 相 同的 合金成份 ， 经 不 同 的工艺 处理 ， 其 弯 曲晶界 的形成机制截 然 不 同 。 在 固溶处理后的缓 冷工艺 中 ， 引起 弯 曲 晶界 的主导 因素依相 的析 出顺序而改变 。 在 固溶 处理后 的等 温工艺 中 ， 引起 弯 曲 晶界的 主导 因素一般 为碳化 物相 。 这 一给论对于 奥 氏体型 变 形 高温 合金是否具有普遍性 有待进 一 步研究 。 为此 ， 本文将重 点研究 以下两 方面 问题 不 同类别 的奥 氏体型 变形 高温 合金弯 晶形成 的普遍性 。 不 同 合金化程度 的镍基合金及铁基 合金弯 晶形 成机制的 探讨 。 实验材料和 试验方法 广泛 开 展 高温 合金 弯 曲 晶界 的研究 ， 首 先必须 搞 清 弯 晶工艺 是否普遍适 用于各种 高温 合 金 。 本 文 选用 以 下几 种 有代 表性 的 合金作 为试验用 料 。 即高 合金化 的镍基 变形 合金 玉 、 中 合金化 的镍 基变形 合金 ， 低 合金化 的镍 基 合金 以及铁 基变形 合金 月 和 哺 等 。 其化 学成份如 表 所 示 。 合金 中存在 的主要第 二 相溶 解温 度 列于 表 。 表 合 金化学成份 一 习 万 表 少 合金中主要 第二相 的 溶解度 有 人 。 口占‘ 日门︸，二 气‘ ︸ ” 一
以上五种合金分别进行了标准热处理，固溶后的缓冷处理以及固溶后等温处理。 试样在CARL一ZEISS一JENA显微镜观察金相组织。并在EDAX一-WEDAX-Z扫描 电镜下观察晶界析出相形貌及能谱分析。 2试验结果及分析 2,1弯曲晶界的普遍性 为了查清在高温合金中产生弯曲晶界的普遍性，选用了五种有代表意义的高温合金进行 试验，其结果如下： (1)GH151合金 GH151合金是Ni一C一Co基时效硬化型高温合金，其合金化程度较高，并含有大量的 W、Mo、A1、Nb等合金元素（不含Ti)。Nb溶入Y'相能显著提高NiaA1相的高温强度。 一般用做950℃的涡轮叶片。 GH151合金的标准热处理工艺为： 1250℃×5h/空冷+1000℃×5h/空冷+950℃×10h/空冷，该合金经上述标准热处理后可 获得平直晶界，如图1一a所示： 当对GH151合金进行1250℃×5h0.3℃，0.5℃，1℃，3℃，4C1070℃×4h不同冷速的 热处理后（缓冷工艺）发现冷却速度为0.5℃/分时形成弯曲晶界（见图1一b)。 (a)800x (b)800x 图1不同热处理工艺对GH151合金品界形状的影响 (a)标准热处理一一平宜晶界(b)缓冷处理(0.5°C/分)弯曲品界 Fig.1 Effect of various H.T.on G.B.forms of GH151 alloy. (a)Standard H.T.Straight G.B.:(b)Slow cooling treat ment (0.5'C/min)Zig-Zag G.B. 以后随冷速的增加，晶界上的析出相由细条状变为颗粒状，晶界的弯曲度逐渐变小。同 时晶内的Y'相尺寸也变小。当冷速大于1℃/分时，晶界趋于平直。 (2)GH37合金： GH37合金是以Ni一Cr为基并加入W,Mo进行固溶强化，加入Al,Ti进行第二相强化 的中等合金化水平的合金，一般用做800℃的涡轮叶片。 该合金的标准热处理工艺为：1180℃×2h/空+1050℃×4h/空+800℃×16h/空。 经标准工艺处理后，合金晶界为平直形状（不发生弯曲），Y'相呈球形并在晶内弥散分 53
以上五种 合金分别进行 了标准热处理 ， 固溶后的缓冷处理以及固溶后等温处理 。 试样在 一 一 显微镜观察金相组织 。 并在 一 一 扫描 电镜下观 察晶界析 出相形貌及能谱分析 。 试验结 果及分析 ， 弯曲晶界的普遍性 为了查清在高温合金中产生 弯曲晶界 的普遍性 ， 选用 了五种有 代表意 义的 高温 合金进行 试验 ， 其结果如下 工 份认 合金 以 合金是 一 二一 基时效硬 化型 高温 合金 ， 其 合金化程度较高 ， 并含 有大量的 竺 获 嗽 得平直 娜 晶界 ， 如 毓 图 一 所 蒸 示 胜… 。 溶 人 丫 ‘ 相能显 著提 高 。 人 相 的高温 强度 。 ℃ 空冷 ， 该 合金经上 述标准热处理后可 当对 合金进行 。 ℃ 义 为卫少互旦些 竺 生 全旦 卫 一 ℃ 又 不 同冷速的 热处理后 缓 冷工艺 发现冷却速度 为。 ℃ 分时形成 弯曲晶界 见 图 一 。 、 图 不 同热 处理 工艺对 合金晶界形 状的影响 标准热处理一 平直 晶界 缓冷处理 ’ 分 弯 曲晶界 ， 一 于 · · · · · ’ 。 必一 以后随冷速的增加 ， 晶界上的析 出相 由细 条状变为颗 粒状 ， 晶界的弯曲度逐 渐 变小 。 同 时 晶内的丫 相尺寸 也 变小 。 当冷速大于 ℃ 分时 ， 晶界趋于平直 。 合金 合金是以 呈一 为基并加 入 ， 。 进行 固溶强化 ， 加 入 ， 进行 第二 相强化 的 一 中等 合金化水平的合金 ， 一般用做 ℃ 的涡轮叶片 。 该合金 的标准热处理工艺 为 ℃ 又 空 ℃ “ 空 ℃ “ 空 · 经标准工 艺处理后 ， 合金 晶界为平直形 状 木发 生 弯曲， ， 相 呈球形 并在 晶内弥散分
布。碳化物为M2sCs,见图2一a。 当该合金采用缓冷工艺处理后（即：1180℃×2h0.2C,2℃，4℃/分→900℃×4h/空） 均可形成弯曲晶界。如图2一b所示。 当该合金采用等温工艺时，（即1180℃×2h空冷→900℃×4b/空）同样可形成弯曲晶 界如图2一C所示。晶内Y'相很小，只能在高倍显微镜下才能观察到。 (a)标准处理-平应品界，800× (b)缓冷工艺(2"/分)一弯晶，800× (c)等温工艺一弯品，800× 图2不同热处理工艺对GH37合金品界形状的影响 Fig 2.Effect of various H.T.on G.B.forms of GH37 alloy:(a)Standard H.T 800x: (b)Slow cooling treatment Zig-Zag G.B.800x(c)Isothermal treatment Zig-Zag G.B.800x (3)GH33合金 该合金是以Ni一Cr为基，加入少量A1一Ti进行时效强化的一种低合金化的合金。一般 用做700℃的祸轮叶片和涡轮盘等部件。合金中主要相有Y'相，M23C。,M,C3和MC碳化 物。 该合金经标准工艺处理后（即1080℃×8h/空+700℃×10h/空），得到平直晶界。 经缓冷工艺后（即1080℃×8h炉冷→900℃×4h/空）形成湾曲晶界，如图3一a所示。 经等温工艺后（即1080℃×8h炉冷→90℃×4h/空）同样形成弯曲晶界，如图3一b 所示。 54
布 。 碳 化物 为 ， 见图 一 、 ， ‘ 、 、 二 二 ，， 、 人 一 。 、 一 ， 。 。 ， ， 。 、 ‘ ℃ ， ℃ ， ℃ 分 。 八 。 、 、 ， 月 ， 、 雏胜朋 缓 冷花 处酝 即 ℃ ‘ 一 刊 ℃ 咚 空 均可形成弯曲晶界 。 如 图 一 所示 。 当该 合金采用等 温工 一 艺时 ， 即 一 ℃ 、 五 空 全 、 。 ℃ 火 空 同样可 形 成 弯 曲晶 界如 图 一 所示 。 晶内 丫 ‘ 相 很小 ， 只能在 高倍显微 镜 下 才能观 察到 。 三森扮辣终窦 薰 标 准处理一平 直 晶界 ， 。 。 又 冷 缓冷 工艺 ’ 分 一弯晶 ， 黔 薰 羹联器 释联娜拼舞 。 等温工艺一弯 晶 ， 。 又 图 不 同热处理工艺 对 合 金 晶 界形状 的影响 。 。 。 了 。 一 。 一 合 金 该 合金是以 一 为 基 ， 加 人少 量 一 进行时 效 强化 的一种 低 合金化的 合金 。 一般 用 做 ℃ 的 涡轮叶片和 涡轮盘等 部件 。 合金 中主要相 有 州 栋 。 ， 了 和 碳 化 物 。 该 合金经 标谁工艺 处理后 即 ℃ 空 十 ℃ 空 ， 得到平直 晶界 。 炉一 冷一 经缓 冷工艺后 即 经等 温 工 艺后 即 火 所示 。 斗 ℃ 火 ” ℃ 又 空 形成 弯 曲 晶界 ， 如 图 一。 所示 。 空 同样形成弯 曲晶 界 ， 如 图 一
a)缓冷工艺一弯曲品界，800× b)等部工艺一笃曲品界，800× 图3不同热处理工艺对GH33合金品界形状的影响 Fig 3.Effect of various H.T.on G.B.forms of GH33 alloy: (a)Slow coolir眼treatment Zig--ZagG,B.800× (b)Isothermal treatment Zig-Zag G.B.800x (4)GH36合金 GH36合金是以碳化物(VC)、(NbC)强化，含有0.45%C的Fe-Cr一Ni基高温 合金，用作600℃~650℃涡轮盘、紧固件和承力环等高温部件。 标准处理工艺：1140℃×80分/水冷+670℃×12h升到780℃×10h/空 a,等温工艺，800× b,级冷工艺，800× c,晶界碳化物成份分行 图4不同热处理工艺对GH36合金晶界状态的影响 Fig.4 Effect of various H.T.on G.B.forms of GH36 alloy: (a)Isothermal treat ment 800x:(b)Slow cooling treatment 800x.(c)A X-ray spectrum of G.B.carbide. 55
墨鑫戴漱垂 黝瀚翼哪藏 藻蒸 簿戮雍 缓冷工艺一弯 曲晶界 ， 等温 工艺 一弯 曲晶界 ， 图 不 同热处理工艺对 合金 晶界形 状 的影响 了 ， 皿 亡 士 一 。 又 一 合金 合金是以碳化物 、 强化 ， 含 有 的 ‘ 一 一 基 高温 合金 ， 用作 ℃ ℃ 涡轮盘 、 紧 固件和 承力 环等 高温部件 。 标准处理工艺 。 ℃ 又 分 水 冷 十 ℃ 升到 ℃ 义 空 一 羹 竺翔 名 扁云 ‘ 一 二 二 搜 ‘ 等温工艺 ， ， ” 冷此 ‘ 戳探 同热处航 艺 对 合儡 界状赢髯 碳化物“ 份分析 ， 。 。 吮默默 ‘罗群 黑 ’ ‘ ‘ ‘“ ‘ 一 · ‘ 。 。 “ ， ‘ ’ 一
该合金经标准热处理后晶粒细小，晶界平直。为观察方便，把固溶温度提高到1180℃使 晶粒长大便于观察晶界状态。 缓冷工艺：1180℃×80分2℃/分→800℃×16h/空，晶界弯曲。 等温工艺：1180℃×80分室冷到→800℃×16h/空，晶界弯曲，（见图4-a) 扫描电镜进一步观察表明：引起弯晶的第二相是晶界上的白亮碳化物，一般为M2C。 (见图4一b,图4一c)含有Cr、Fe、V等元素。 (5)3a69合金： 369合金是以M23C。强化的铁基合金，除碳外，合金中有14%C「及少量W,Mo用于 航空发动机的排气阀门和紧固件。使用温度小于800℃。 标准处理工艺：1140℃×80分/空+700℃×16h/空，晶界平直。 缓冷工艺：1180℃×2h炉冷到→900℃×4h/空，晶界弯曲，晶界上有较大的长条状不 规则排列的碳化物（见图5一a)。 等温工艺：1180℃×2h室冷到→900℃×4h/空晶界弯曲但不如缓冷工艺晶界弯曲的 好。 经扫描电镜能谱鉴别，晶界碳化物属于以Cr为主M23Cs的型碳化物（见图5一b)。 a,缓冷工艺（弯曲晶界） b,晶界碳化伤成份分析 图53169合金弯晶形状态及成份分析 Fig.5.Zig-Zag G.B.form and X-ray spectrum of G.B.carbide in 3869 alloy: (a)Slow cooling Zig-Zag G.F (b)A X-ray spectrum of G.B.carbide. 从以上五种不同类型的高温合金（铁基和镍基）试验结果得出，只要采取合适的热处理 工艺（缓冷或等温）使晶界上有一定量的相与原晶界呈一定位向析出，长大都能造成晶界迁 移，获得弯曲晶界。换言之，在奥氏体型高温合金中弯晶的形成具有普遍性。不过采用缓冷 工艺（若冷却速度小时）所得到的弯曲晶界一般较粗大，弯曲度大，且规则，晶内析出相多 而且大。呈过时效状态，采用等温工艺得到的弯曲晶界不太规则。晶界析出物较小，弯曲小， 晶内组织一般较细。 2,2弯曲晶界形成机制的初探 从GH220及GH118合金的研究中得知，不同合金类型形成弯晶的主要第二相是不同的。 例如，对GH220合金可能是M。C引起弯晶(6)对于GH118合金可能是大Y'相引起弯晶(1)这 56
该 合金经标准热处理后晶粒细小 ， 晶界平直 。 · 为观察方便 ， 把 固溶温度提 高到 。 ℃使 晶粒长大便于观察 晶界状态 。 缓 冷工艺 卯 ℃ 、 分里卫业鱼 一 。 ℃ 空 扇界 弯 曲 。 ，， 二。 一 、 ， ， 。 八 ， 、 。 八 ， 丫 空冷到 。 。 八 ， 、 ， ， 。 认 ， 二 里 亦 。 、 ‘ 。 图 注 。 、 等 温工艺 ℃ 分止三上兰三兰匕 ℃ 川空 ， 晶 界 背 曲 ， 见 图 一 少 扫描 电镜进 一 步观察 表 明 引起 弯 晶的第二相 是 晶界上 的 白亮碳化 物 ， 一 般 为 。 。 见 图 一， 图 一 含有 、 、 等 元 素 。 加 合金 此 合金是以 。 。 强化 的铁基 合金 ， 除碳外 ， 合金 中 有 及少量 ， 。 用于 航 空发 动机 的排气 阀 门和 紧 固件 。 使用 温 度小于 。 ℃ 。 标准处理工艺 ℃ 义 分 空 十 ℃ 沐 空 ， 晶界平直 。 缓 冷工艺 ℃ 垄兰里上 ℃ 又 空 ， ’ 晶界 弯 曲 ， 晶界 上 有较大 的长条状不 规则排列 的碳 化物 见 图 一 。 等 温工艺 ℃ 火 一 皇丝遥止， 。 ℃ 、 空 晶界 弯 曲但不如缓冷工艺 晶界 弯 曲的 好 。 工艺 经 扫描 电镜 能谱鉴别 ， 晶界碳化物属于 以 为主 。 。 的型碳化物 见图 一 撰粉蒸彝鬃携 缓 冷工艺 弯曲晶界 晶界 碳化物成 份分析 图 合金 弯晶形 状态 及成份分析 凡 擎 一 只 · 凡妙黔吧今 竺 少 “ “ “ · 处 气 产 。 匕 乙 匕一 乙 匕 ‘“爪‘ ” 吧 匕 ， 戈 八 人 一 七 ， 从以上五种 不 同类型 的高温 合金 铁基和镍 基 试验结果得 出 ， 只要采取 合适 的热处理 缓冷或等温 使 晶界上 有一定量的相与原 晶界 呈一定 位向析 出 ， 长大都能造成晶界迁 泄弯 曲晶界形成机 黔 制的初 探 嵘豁 娥默郧 从 及 合金 的研究中得知 ， 不 同 合金类型形成弯晶 的主要第二相是不 同的 。 例如 ， 对 合金可能是 。 引起弯 晶〔 〕对于 合金可 能是大 丫 ‘ 相 引起 弯 晶〔 ‘ 〕 这
种情况是能够通过工艺因素加以调整的。当非常缓慢冷却时GH220合金，可由大r'相引起弯 晶，而GH118合金在合适的等温条件，同样能够由M2aC。引起弯曲〔2)。因此，在晶界上同 时存在两个相的情况下可得出如下结论：， 第一，类型不同的合金形成弯晶的第二相不同。 第二，同一类合金采用不同的热处理工艺形成弯晶的第二相也可以是不同的。· 在GH220及GH118两个合金得出的试验结论是否适合其它镍基变形合金，现分述如下： (1)缓冷工艺： GH151合金，在1250℃×4h0.3℃/分→1200℃，1175℃，1150℃，1100℃，1050℃ (0分)1050℃(4h)的不同温度下取样、观察。当冷到1100℃时晶界开始有Y'相析出，并 出现小弯曲度。随温度降低Y‘相析出增加。在1050℃保温，Y'相略有长大，晶界弯曲度也稍 有变化（见图6一a;b)。 (a)1050°C(0h),1250×: (b)1050“C(4h),1250x. 图6GH151合金缓冷过程中晶品界第二相的析出及对弯晶形成的影响 Fig.6 Precitate of G.B.secondary phases and effect on Zig-Zag G.B.formation during slow cooling process of GH151 alloy 在扫描电镜下进行观察，Y'相呈条状或呈块状，能谱鉴定证明是以(Ni,Cr,Co),A1 为主的Y'相。 试验表明：GH151合金在很缓慢的冷却过程中，由于晶界上析出Y'相造成晶界迁移，出 现弯曲晶界。 GH37合金，同样进行了缓冷过程的研究。经1180℃×2h0,2℃/分1040℃，1020℃， 1000℃，950℃，900℃(0分)，900℃(4h)处理观察试样冷到950℃晶界有部分弯曲出现，随 温度继续降低和保温时间的延长，晶界弯曲明显；晶界更粗大（见图7一a,b)。 在扫描电镜下观察，晶界刚开始弯曲时，可见到晶界上存在着少量的黑色条状Y'相（见 图7一)。但降低温度后，保温的组织中存在着大量的碳化物，引起晶界弯曲度大（见图 ?一b)，由此可见，GH37合金缓慢冷却过程中，同时存在着由Y'相及碳化物相引起弯曲晶 界两种可能性。由于晶界Y'尺寸比晶界碳化物的尺寸小得多，由Y'引起的弯曲度很小，而且 当冷到更低温度并进行保温时，进入了碳化物形核长大的条件范围内后，M2C。碳化物在 晶界上形核，并靠原子扩散使相界面推移而长大，因碳化物尺寸较大，所以晶界出现很大的 弯曲度。 57
馨嚣漱燃糕淤靡锣继…争…毋祥膏 巍掣鄂骂黑指〕蕊蕊钒蕊 、 缓冷工艺 出现 六 小 弯曲 默 度 。 随 森 温度降 票 低 豁 丫 ‘ 相析 牛 出 盒 增 嚣 加 丫 。霎 在 霸孺 ℃保温 刃， 霜毓 相 略 鬓 有 篡一 长大 瘾， 貂 晶界 赢 弯曲 糕 度也稍 有变化 见 图 一和 蒸 一 ’ ， 鬓 ， 、 图 合金 缓冷 过程中晶界第二相的析 出及 对弯 晶形 成的影响 ‘丫 竹 ‘ “ 气愁 呼甘沙终 “ 州 · 比 ‘ 一 · 氏 拓 ’ ‘ 〔 刀 匕 生 昌 甘 在扫描 电镜下进行观察 ， 为主的 丫 产相 。 州 相 呈 条状或呈块状 清台谱鉴定证 明是以 ， ， 。 。 试验表明 现 弯 曲晶界 。 ’ 合金 ， ， ， 肚 合金在很缓慢 的冷却过程 中 ， 由子晶界上析出丫 ‘ 相造成晶界迁移 、 出 同样进行 了缓冷过程 的研究 。 经 ℃ 卫 ，丝些乏今 ℃ ， ℃ ， 盼几 此 处理观察试样冷到 晶界有部分 弯 曲出现 ， 随 温 度继 续降低和 保温时 间的延 长 ， 晶 界弯 曲明显 晶界更粗大 见 图 一 “ ， 协 。 在扫 描电镜 下观察 ， 晶界刚开始 弯曲时 ， 可 见 到晶界上存在着少量 的黑色条状 ， 相 见 图 一 。 但降低温度后 ， 保温 的组织 中存在着大量 的碳化物 ， 引起 晶界 弯 曲 度 大 见 图 一 ， 由此可 见 ， 合 金缓慢 冷却过程 中 ， 同时 存在着由州 相及碳化物相引起弯曲 晶 界两种可 能胜 。 由于 晶界， 尺寸比晶界碳化物的尺寸刁 、 得多 ， 由分引起的弯 曲度很小 ， 而且 默 弯曲度 。霭黔算赣零装豁纂豁黔默黎翼练粼量孺踩
(a)Begining of Zig-Zag G.B.formation (b)The Same,900'C 4h,1250x during cool ing to 950'C,1250x. 图？GH3?合金缓冷过程中晶界第二相析出及对弯晶形成的影响 Fig 7 Precipitate of G.B.secondary phases and thier effect on Zig-Zag G.B. formation during slow cooling process of GH37 alloy GH33合金缓冷过程的研究： 热处理工艺为：1080℃×8h炉冷1050℃，1000℃，950℃，900℃(0分)，900℃(2h), 900℃(4h),当冷到1000℃，局部品界有碳化物析出，晶界不再平直，随温度的继续降低， 晶界上碳化物长大，晶界弯曲明显（见图8一a,b)。 综上所述，GH151,GH37,GH33合金缓冷热处理的实验结果表明：不同的合金成份， 采用缓冷工艺，得到的弯晶可以是￥'引起，也可以是碳化物引起。这不仅与析出相的析出顺 序有关，也与合金的类型及合金中Y'相所占的比例有关，也就是说，同样的缓冷工艺，合金 化水平的不同，引起弯晶的第二相是变化的。 彩 (a)During cooling to 1000"C,1250x (b(During cooling to 900'C,800x 图8GH33合金在缓冷过程中晶界第二相析出及对湾晶形成的影响。 Fig.8 Precipitate of G.B.secondary phases and thier effect on Zig-Zag G.B. formation during slow cooling process of GH33 alloy (2)等温工艺 所谓等温工艺是从固溶温度快冷到某一温度保温、以获得弯晶的工艺。GH151合金选择 了1250℃×4h室冷→950℃，1000℃，1050℃，1070℃，1080℃，1090℃，100℃×4h/空 冷等一系列不同的等温温度的处理方案，结果如下：随保温温度的提高。晶内Y'相的尺寸逐 渐增大，晶界上颗粒状Y'的相从无到有。但是晶界始终是平直的（见图9）。即在本试验 58
。 一 。 ， ‘ ， ’ ， ， 图 合 金缓冷 过程 中晶界 第二相 析 出及对弯 晶形成 的影 响 一 合金缓 冷过 程 的研究 热 处理工艺 为 。 ℃ 义 工望匕 ℃ ， ℃ ， ℃ ， ℃ 分 旧 ℃ 抢 ， ℃ ， 当冷到 ℃ ， 局 部 晶界有碳化物析 出 ， 晶界不再平直 ， 随温度 的继续 降 低 ， 晶界上碳 化 物长 大 ， 晶界 弯曲明显 见 图 一 ， 。 化水 黔 平 的 注 不 同 ， 戴 弓起 弯晶 燕 的第二 燕 相 是变化 薰 的 。 淤豁换撇黔燕 ，曰 黔燕甘价 黯 籍 怒 班积技喇 防玲卜梦 碘 粼 “ ， ’ ， 、 图 合 金在缓冷 过 程 中晶界 第二相 析 出及 对弯 晶形成 的影 响 。 一 夕 等 温工艺 所谓等 温工艺是从 固溶温度快 冷 到某一温度保温 、 以获得弯 晶的工艺 。 了 ℃ 火 鱼生 一 ， ， ， ， ℃ ， ， 冷等一系列不 同的等 温温度 的处理方案 ， 结果如下 随保温温度的提高 。 晶 合金选 择 空 内丫 了丰目的尺 寸逐 渐 增大 ， 晶界上颗 粒状 ‘ 的相从无 到有 。 但是 晶界始终是平直的 见图 。 即在本试 验
条件下GI151合金的等温处理工艺得不到弯晶界。 这是由于合金中Nb的含量高，大部C被 Nb夺走，形成很稳定的NbC,这样合金中的 碳所剩无几，不能在晶界上形成足够数量的 1。C以引起晶界弯曲。因此，G凸51合金在碳 化物析出为主要机制的等温工艺和前述的缓冷 工艺中以较快速度冷却的热处理中，都不能出 现弯曲晶界。这也说明M。C型碳化物的数量 充足是形成弯晶的必要条件的一个例证。 GH7合金的等温处理工艺为： 图9平直晶界的等温处理，1250x 1180℃x2h.室冷到→1040℃(0mim), Fig.9 Isothermal treatment-straight G.B.1250x 1040℃(5min),1040℃(30min),1040℃(1h), 1040℃(2h),1040℃(4h),可以见到固溶处理 后冷到1040℃(0min)晶界上就有析出相，经扫描电镜观察和能谱分析鉴定证明是Cr的碳化 物，随保温时间的延长，晶界碳化物呈不规则长大，大部分区域均有相当好的银齿状晶界， 如图10所示。 以同样的方法对GH33合金进行了等温处 理的研究，其工艺为： 1080℃×8l室冷到，900℃(0min),900℃ (5min),900℃(30min),900℃(60min), 900℃(2)。900℃(4h)。 金相观察表明：固溶处理后空冷，晶界上 出现碳化物颗粒，晶界略有弯曲。随等温时间 的延长，晶界上析出相不断增多，品界粗大，弯 图10GH37合金等温处理(1040“C,4h),形成 曲度也相应增加，在扫描电镜下观察和能谱分 湾曲品界，1250× 析仪鉴定，晶界上析出物以Cr为主的M:aC。 Fig.10 Formation of Zig-Zag G,B, during Isothermal treat ment (1040'C. 综上所述，对等温处理过程的研究表明， 4h)ofGH37a11oy,1250×. 晶界碳化物是引起弯晶的第二相。合适的等温工艺使Y'相以很快的速度形核，长大。因形核 率高，则Y‘相尺寸小，颗粒较密。同时晶界碳化物能以较慢的速度在晶界上形核，长大，从 而造成弯曲晶界的形成条件。 总结缓冷工艺中合金化程度高低和冷却速度与析出相的关系趋势可归纳成如下表。 p 59
条件 一 下 玉工 合金的等温处理 工艺 得不到弯 晶界 。 图 平直 晶 界 的 等温处理 ， 土 一 犷 。 玉 这 是 由于 合金 中 的含 量高 ， 大部 被 夺走 ， 形成很稳定 的 ， 这 样 合金 中 的 碳 听剩 无 几 ， 不能在 晶界上形成 足 够 数 量 的 呵 、 以 引起 晶界弯曲 。 因此 ， ” 合金在碳 化物析 出为主要机 制 的等 温工 艺和 前 述的缓冷 工 艺 中以 较快速址 冷却 的热处 理 中 ， 都不 能 出 现 弯曲晶界 。 这 也说 明 。 型碳化物的数 量 充足 是形 成弯 晶的必要条件的一个例证 ‘ 二 比了合金 的等 温处理 工 艺 为 代 、 一空卿一 此 ， 」 ， ℃ ， ， 、 ℃ ， ℃ ， 可 以 见到 固溶处理 后 冷到 ℃ 晶界上就 有析 出相 ， 经 扫描 电镜观 察和 能谱 分析鉴定证明是 的碳化 物 ， 随保 温时 间 的延 一 长 ， 靡界碳化物呈不规 则长大 ， 大部分区域 均 有相 当好 的锯齿状晶界 ， 如 图 所示 。 以 同样的方法对 合金进行 了等 温处 理 的研究 ， 其工艺 为 姗成 火 ，空些蛛 。 而 ℃ ， ℃ ， ℃ ， 叨。 ℃ 。 伽 。 金相观察表明 固溶 处理 后 空冷 ， 晶界上 出现 碳化物颗粒 ， 晶界略有弯曲 。 随等温时 间 的延 一 长 ， 晶界上析 出相不断增多 ， 晶界粗大 ， 弯 曲度也相应增加 ， 在扫 描 电镜 下观察和 能谱分 析仪鉴定 ， 晶界上析出物以 为主 的 。 。 。 综上所述 ， 对等温处理过程 的研究 表明 ， 图 了合金等温处 理 旷 ， 形 成 弯 曲晶界 ， 馆 一 一 主滤 ’ ， 五 。 只 ， 望黔轰黯奔赘霎蕊复纂幂撬黯镖晶魏黑霆囊翼氛喜产浪皇梦篆 而造成 弯曲 晶界的形 成 条件 。 总结缓冷工艺 中合金化程度高低和 冷却 速度 与析出相 的关系趋势可 归纳 成如下 表
表3合金化一冷速对第二相引起弯晶的影响 Table 3.Trend toward ZGBF as major phase influenced by alloying and cooling rate Ability od of ZGBF due to y decreases... Cooling rate increases......... Cooling rate and Major phase Slow Middle Fast Y Alloys (3"C Remark e ·C/min) /min) /min) (wt%) 骂 GH151 y” No.ZG B F No ZGBF Major NbC in grain, 56 minor M6C at G,B 3116011g GH118 Y Y' Y 51 Solyus of y higher than that of carbide GH220 Y Y/C 0 42-45 8nalraie GH37 Y/C C -20 Solvus of MeC higher than that of Y‘, S11113 GH33 or No ZGB F Q -10 Solvus of M23Ce 3W437b higher than that of Y Note:C represents carbide 3结 论 ()不同类型的奥氏体型合金，总可以找到某一热处理工艺（缓冷或等温工艺）以获 得弯曲晶界，即弯晶的普遍性是存在的。 (2)当晶界同时存在两种沉淀相的不同成份镍基高温合金，相同的缓冷热处理工艺， 形成弯品的机制不同。引起弯晶的晶界主要析出相不仅与具体工艺有关，同时与合金成份有 关。相同的等温工艺能否引起晶界弯曲，合金成份起着决定性的作用。采用等温处理能获得 弯曲品界的合金，其晶界主要析出相是碳化物。 (3)相同的合金成份，采用不同的热处理工艺，对于中、低合金化水平的镍基高温合 金而言，其弯晶形成机制可能是相同的，引起弯晶的主导作用是碳化物相在晶界上析出。 (4)铁基高温合金，不同热处理工艺，其弯晶的形成是碳化物形成机制。 注：张亚平，孙庆标两位老师及李音波同学参加了本试验工作， 参考文献 (1)Sims C.T.:the Superalloys.1072. (2)Bettridge W.et al:the Nimonic Alloys,1974. (3)Larson.J,M.Met.Trans.,Vol 7A.1976. 〔4〕山崎道夫：日本金属学会志，196G,Vol30. (5]PunHMonon,M.H:Mecnerona cranew s ennanon,1964. 〔6)田家凯：力学治金，特钢通讯，长城钢厂，1984。 〔7)叶锐曾、葛占英：金属学报，20(1984)A34, 60
表 。 合金化一冷速对第二相 引起弯 晶的影 响 良， 奋 丫了 己 … 七 · · · · · · 。 · · … 五 母 玉 了 “ ‘ ’ 一 ‘ 肠 、卜。招﹄的 一 三一侧﹃。峭。的﹄切卜璐口 国沙陌，。 丫 丫 丫 ， 丫 王 一 士 么 丫 “ ， 一﹃叫︺。卜 。﹄切‘ ， 结 论 不 同类型 的奥 氏体型 合金 ， 总可 以找 到 某 一热 处理 工艺 缓 冷或等 温 工 艺 以 获 得 弯曲 晶界 ， 即弯 晶的普遍性是 存在 的 。 当晶界 同时 存在两种 沉淀相的不 同成 份镍 基 高温 合金 ， 相 同的缓 冷 热处理 工 艺 ， 形成 弯 晶的机制不同 。 引起弯 晶的 晶界主要析 出相 不仅 与具 体工艺 有关 ， 同时 与 合金成 份有 关 。 相 同的等 温 工 艺 能否 引起 晶界弯 曲 ， 合金成 份起着 决定 性的作用 。 采 用等温处理 能获 得 弯 曲 晶界 的 合金 ， 其 晶界主 要析 出相 是碳化 物 。 相 同的 合金成份 ， 采 用不 同 的热处理 工艺 ， 对于 中 、 低合金化水平的镍基 高 温 合 金而言 ， 其 弯 晶形成机制可 能是相 同的 ， 引起 弯 晶的主导作用 是碳化 物相在 晶界上析 出 。 铁基 高温 合金 ， 不 同热处理工艺 ， 其 弯 晶的形成 是碳化物形成机 制 。 注 张亚平 ， 孙庆 标两 位老 师 及 李 音波 同学参加 了 本试验 工作 参 考 文 献 〔 〕 ， ， 〔 〕 ， 一 了生 〔 〕 ， ， ， ， ， 〔 〕 山 崎道夫 日本金属 学会 志 ， ， 〔 〕 中 “ 二 ， 刀 助 。 刀 。 ” 刀 。 ， 今 〔 田 家 凯 力学冶金 ， 特钢 通 讯 ， 长 城钢厂 ， 。 〔 〕 叶锐 曾 、 葛 占英 金 属学报 ， 。
