D0I:10.13374/1.issm100103.2008.07.037 第30卷第7期 北京科技大学学报 Vol.30 No.7 2008年7月 Journal of University of Science and Technology Beijing Ju.2008 冷却速度对Waspaloy合金凝固过程中偏析和液体 密度的影响 仲博颖)王玲1.)张麦仓)董建新) 1)北京科技大学材料科学与工程学院，北京1000832)南京信息工程大学数理学院，南京210044 摘要通过不同冷速下的重熔凝固实验，利用扫描电镜和能谱仪系统研究了冷速变化对Waspaloy合金凝固过程偏析行为 和液体密度的影响.结果表明：随着冷速的增大，Waspaloy合金中元素的偏析会减小，凝固过程中偏析最严重的是富集于枝晶 间的正偏析元素T:元素偏析导致剩余液体的密度发生变化，而且液体密度基本上呈现反转趋势，当凝固温度到1300℃时， 出现最大的密度反转· 关键词Waspaloy合金；凝固组织；冷速：凝固偏析；液体密度 分类号TG132.3 Effect of cooling rate on the segregation and liquid density of Waspaloy alloy dur- ing solidification process ZHONG Boying.WANG Ling2).ZHA NG Maicang),DONG Jianxin 1)School of Materials Science and Engineering.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China 2)College of Math and Physics.Nanjing University of Information Science and Technology.Nanjing 210044.China ABSTRACT Remelting tests at different cooling rates for Waspaloy alloy were performed and the effect of cooling rate on the segre- gation behavior and the liquid density of Waspaloy alloy during solidification process was systematically investigated by SEM and EDAX.The results show that the element segregation decreases with increasing cooling rate and Ti segregation is the most serious during solidification which is a positive segregation element and congregates in interdendritic area.The liquid density exhibits an in- version trend due to the element segregation.The maximum liquid density inversion occurs near the solidification temperature of 1300℃. KEY WORDS Waspaloy alloy:solidification structure:cooling rate:solidification segregation:liquid density Waspaloy合金是美国Pratt Whitney公司20世 显的，成分不均匀造成组织上的差别，可导致冲击韧 纪50年代发展起来的Y相沉淀硬化型镍基高温合 性和塑性下降，增加铸件的热裂倾向，有时还使铸件 金，主要用于温度超出675℃时和最高温度在760℃ 难于加工，随着航空和地面燃机的迅猛发展，对涡 时需达至超蠕变的情况，Waspaloy是涡轮部件、锻 轮盘的尺寸提出了更大化的要求，相应的合金锭型 模紧固件和钢模锻造等的理想材料，它具有良好的 也趋于明显增大，锭型越大偏析情况也更严重，因 高温抗氧化性能和工艺塑性，广泛应用于航空发动此对Waspaloy合金凝固过程中的偏析进行研究十 机和动力机械中涡轮盘和涡轮叶片的制造】， 分必要且日益紧迫，目前关于Waspaloy合金凝固 Waspaloy合金化程度比较高，含有较高的Mo、Ti和 过程偏析的报道很少，本文通过不同冷速下的重熔 A1等合金元素，因此在凝固过程中不可避免的会产 凝固实验，利用扫描电镜和能谱仪系统研究了冷速 生微观偏析，微观偏析对铸件力学性能的影响是明 变化对Waspaloy合金凝固过程偏析行为的影响，为 收稿日期：2007-05-19修回日期：2007-07-07 基金项目：国家自然科学基金资助项目(N。-50371006) 作者简介：仲博颖(1981一)，女，硕士研究生；张麦仓(1967一)，男，副教授，博士，Emal:hw1@126.com
冷却速度对 Waspaloy 合金凝固过程中偏析和液体 密度的影响 仲博颖1） 王 玲12） 张麦仓1） 董建新1） 1） 北京科技大学材料科学与工程学院北京100083 2） 南京信息工程大学数理学院南京210044 摘 要 通过不同冷速下的重熔凝固实验利用扫描电镜和能谱仪系统研究了冷速变化对 Waspaloy 合金凝固过程偏析行为 和液体密度的影响．结果表明：随着冷速的增大Waspaloy 合金中元素的偏析会减小凝固过程中偏析最严重的是富集于枝晶 间的正偏析元素 Ti；元素偏析导致剩余液体的密度发生变化而且液体密度基本上呈现反转趋势当凝固温度到1300℃时 出现最大的密度反转． 关键词 Waspaloy 合金；凝固组织；冷速；凝固偏析；液体密度 分类号 TG132∙3 Effect of cooling rate on the segregation and liquid density of Waspaloy alloy during solidification process ZHONG Boying 1）W A NG Ling 12）ZHA NG Maicang 1）DONG Jianxin 1） 1） School of Materials Science and EngineeringUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China 2） College of Math and PhysicsNanjing University of Information Science and TechnologyNanjing210044China ABSTRACT Remelting tests at different cooling rates for Waspaloy alloy were performed and the effect of cooling rate on the segregation behavior and the liquid density of Waspaloy alloy during solidification process was systematically investigated by SEM and EDAX．T he results show that the element segregation decreases with increasing cooling rate and Ti segregation is the most serious during solidification which is a positive segregation element and congregates in interdendritic area．T he liquid density exhibits an inversion trend due to the element segregation．T he maximum liquid density inversion occurs near the solidification temperature of 1300℃． KEY WORDS Waspaloy alloy；solidification structure；cooling rate；solidification segregation；liquid density 收稿日期：2007-05-19 修回日期：2007-07-07 基金项目：国家自然科学基金资助项目（No．50371006） 作者简介：仲博颖（1981—）女硕士研究生；张麦仓（1967—）男副教授博士E-mail：sjzhwl＠126．com Waspaloy 合金是美国 Pratt Whitney 公司20世 纪50年代发展起来的 γ′相沉淀硬化型镍基高温合 金主要用于温度超出675℃时和最高温度在760℃ 时需达至超蠕变的情况．Waspaloy 是涡轮部件、锻 模紧固件和钢模锻造等的理想材料．它具有良好的 高温抗氧化性能和工艺塑性广泛应用于航空发动 机和动力机械中涡轮盘和涡轮叶片的制造［1—3］． Waspaloy 合金化程度比较高含有较高的 Mo、Ti 和 Al 等合金元素因此在凝固过程中不可避免的会产 生微观偏析．微观偏析对铸件力学性能的影响是明 显的成分不均匀造成组织上的差别可导致冲击韧 性和塑性下降增加铸件的热裂倾向有时还使铸件 难于加工．随着航空和地面燃机的迅猛发展对涡 轮盘的尺寸提出了更大化的要求相应的合金锭型 也趋于明显增大锭型越大偏析情况也更严重．因 此对 Waspaloy 合金凝固过程中的偏析进行研究十 分必要且日益紧迫．目前关于 Waspaloy 合金凝固 过程偏析的报道很少本文通过不同冷速下的重熔 凝固实验利用扫描电镜和能谱仪系统研究了冷速 变化对 Waspaloy 合金凝固过程偏析行为的影响为 第30卷 第7期 2008年 7月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．30No．7 Jul．2008 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2008．07．037
第7期 仲博颖等：冷却速度对Waspaloy合金凝固过程中偏析和液体密度的影响 .761. 下一步制定合理的冶炼工艺进而提高合金的成材率 中，保留其剩余液相的组织 奠定基础，研究结果具有重要工程意义， 样品经电解侵蚀剂后在$250型扫描电镜下观 1实验材料及研究方法 察其凝固组织，用EDAX分析其晶干和枝晶间的成 分，每个不同凝固条件下的液相成分测量次数不少 实验用原材料来自宝钢集团特钢中心经真空感 于五次然后取平均值，然后根据文献提供的密度计 应十真空自耗工艺生产的(508mm)铸锭，其化学 算方法计算剩余液体的密度 成分如表1所示 2实验结果与讨论 表1合金的化学成分（质量分数） Table 1 Chemical composition of Waspaloy % 2.1热力学计算 C Cr Co Mo Al Ti Ni 图1为利用热力学软件Thermal一calc和相应 0.03919.3214.154.321.482.90其余 的Superni基数据库对Waspaloy合金进行热力计 算，得出各相析出量与析出温度的关系图.由图1 借助于热力学软件Thermo一calc和Superni基 可以看出在平衡凝固过程中的析出相主要有MC、 数据库计算得出Waspaloy合金的凝固温度范围为 Y、M23C6、μ相和微量的o相.MC析出温度约在 1291~1364℃，因此制定了以下重熔工艺：将试样 1313℃左右，是在合金凝固过程中直接从液相中析 在熔点1364℃以上进行重熔，重熔温度为1400℃， 出的，M23C6析出的温度约在976℃左右，本实验中 保温20min,然后以不同速度冷却，设定的冷速有 主要研究冷速变化对Waspaloy合金凝固组织的影 1,3,10℃min1三种.每个冷速下的一组样品有 响，由于冷却很快，没有时间达到平衡状态，所以凝 七个，分别冷却到1360,1350,1340,1330,1320， 固过程为非平衡凝固，此时平衡相图只能预测在不同 1300和1280℃，随后将试样取出淬入5%的盐水 温度下合金可能同时出现的相和它们近似的成分 1.0r (a) 1.0 (b) 0.8 液相 0.8 熟0.6 幅 液相一 图0.4 0.4A 0.2 0.2 MaCs μ MaC MC MC 400 600 800100012001400 400 600 800100012001400 温度/℃ 温度/℃ 图1 Waspaloy合金的析出量与析出温度的计算曲线(a)及局部放大图(b) Fig.I Calculated dependences of precipitation phases on temperature (a)and its partial magnification (b) 2.2 Waspaloy合金在不同冷速下凝固组织随温度的 变化规律 是1364℃，只有低于此温度时才有一定的过冷度 图2(a)、(b)和(c)中分别为冷速为1,3和 当冷速较大时，合金凝固过程的过冷度会增大，所以 10℃min凝固温度为1350℃时的组织，图2(d)、 在凝固初期合金会很快凝固，以致在1350℃时就有 (e)和(f)分别为三种冷速下1280℃凝固时的组织. 大量液相转变成固相，残余液相以细的网状存在于 图中灰黑色大的椭圆块为炉冷中生成的固体，黑白 枝晶间.此外，试样在大的冷速下冷却到1280℃所 相间的网状组织为液相，可以看出：在较高温度淬 需的时间较短，又由于合金在凝固的同时还有凝固 火时，随着冷却速度的增大，剩余液相的含量会变 潜热的释放，加之凝固初期形成的较细的枝晶组织 少，而且枝晶也会变细；但是在凝固后期随着冷速的 不利于溶质的扩散；所以尽管凝固温度降低，仍只有 增大，剩余液体量反而会增多 少量的液体会转化成固相，大部分被保留下来，即在 由热力学计算可知，Waspaloy合金的平衡熔点 凝固后期反而是低冷速条件下剩余液相较少
下一步制定合理的冶炼工艺进而提高合金的成材率 奠定基础研究结果具有重要工程意义． 1 实验材料及研究方法 实验用原材料来自宝钢集团特钢中心经真空感 应＋真空自耗工艺生产的（●508mm）铸锭其化学 成分如表1所示． 表1 合金的化学成分（质量分数） Table1 Chemical composition of Waspaloy ％ C Cr Co Mo Al Ti Ni 0∙039 19∙32 14∙15 4∙32 1∙48 2∙90 其余 借助于热力学软件 Thermo—calc 和 Superni 基 数据库计算得出 Waspaloy 合金的凝固温度范围为 1291～1364℃因此制定了以下重熔工艺：将试样 在熔点1364℃以上进行重熔重熔温度为1400℃ 保温20min然后以不同速度冷却设定的冷速有 1310℃·min —1三种．每个冷速下的一组样品有 七个分别冷却到13601350134013301320 1300和1280℃随后将试样取出淬入5％的盐水 中保留其剩余液相的组织． 样品经电解侵蚀剂后在 S250型扫描电镜下观 察其凝固组织用 EDAX 分析其晶干和枝晶间的成 分每个不同凝固条件下的液相成分测量次数不少 于五次然后取平均值然后根据文献提供的密度计 算方法计算剩余液体的密度． 2 实验结果与讨论 2∙1 热力学计算 图1为利用热力学软件 Thermal—calc 和相应 的 Superni 基数据库对 Waspaloy 合金进行热力计 算得出各相析出量与析出温度的关系图．由图1 可以看出在平衡凝固过程中的析出相主要有 MC、 γ′、M23C6、μ相和微量的σ相．MC 析出温度约在 1313℃左右是在合金凝固过程中直接从液相中析 出的M23C6 析出的温度约在976℃左右．本实验中 主要研究冷速变化对 Waspaloy 合金凝固组织的影 响由于冷却很快没有时间达到平衡状态所以凝 固过程为非平衡凝固此时平衡相图只能预测在不同 温度下合金可能同时出现的相和它们近似的成分． 图1 Waspaloy 合金的析出量与析出温度的计算曲线（a）及局部放大图（b） Fig．1 Calculated dependences of precipitation phases on temperature （a） and its partial magnification （b） 2∙2 Waspaloy合金在不同冷速下凝固组织随温度的 变化规律 图2（a）、（b） 和（c） 中分别为冷速为13和 10℃·min —1凝固温度为1350℃时的组织图2（d）、 （e）和（f）分别为三种冷速下1280℃凝固时的组织． 图中灰黑色大的椭圆块为炉冷中生成的固体黑白 相间的网状组织为液相．可以看出：在较高温度淬 火时随着冷却速度的增大剩余液相的含量会变 少而且枝晶也会变细；但是在凝固后期随着冷速的 增大剩余液体量反而会增多． 由热力学计算可知Waspaloy合金的平衡熔点 是1364℃只有低于此温度时才有一定的过冷度． 当冷速较大时合金凝固过程的过冷度会增大所以 在凝固初期合金会很快凝固以致在1350℃时就有 大量液相转变成固相残余液相以细的网状存在于 枝晶间．此外试样在大的冷速下冷却到1280℃所 需的时间较短又由于合金在凝固的同时还有凝固 潜热的释放加之凝固初期形成的较细的枝晶组织 不利于溶质的扩散；所以尽管凝固温度降低仍只有 少量的液体会转化成固相大部分被保留下来即在 凝固后期反而是低冷速条件下剩余液相较少． 第7期 仲博颖等： 冷却速度对 Waspaloy 合金凝固过程中偏析和液体密度的影响 ·761·
.762 北京科技大学学报 第30卷 200um 200um 200μm (d 200m 200μm 200um 图2不同冷速和温度下的凝固组织.(a)1350℃，1℃min1；(b)1350℃，3℃mim-1:(c)1350℃，10℃mim-1:(d)1280℃，1℃. min-1:(e)1280℃，3℃mim-1:(f)1280℃，10℃mim-1 Fig.2 Solidification microstructures at different temperatures under different cooling rates:(a)1350C.ICmin (b)1350C.3C.min; (c)1350℃，10℃mim-1；(d)1280℃，1℃min-;(e)1280℃，3℃min-1:(f)1280℃，10℃min-1 2.3不同冷速下凝固时合金元素的再分配 中的溶质元素含量是增加的，所以随着温度的降低 合金在凝固过程中液相和固相具有不同的成 三种冷速下T的含量呈上升趋势的，二是扩散 分，必然引起溶质的再分布，合金在凝固过程中的 一随着冷速在一定范围内升高，固相中扩散逐渐 溶质再分配是产生偏析的根本原因[].图3(a)为 被抑制，而液相中仍有较充分的扩散，此时冷速越 不同冷速下剩余液相中T含量的变化，由图中可 高，固相中的溶质含量偏离平衡成分越远，残余液相 以看出，随着温度的降低，不同冷速冷却时液相中的 中的溶质含量越高；当冷速增加到一定程度，不但固 Tⅰ含量都呈升高的趋势，在三种冷速下液相中的 相中扩散完全被抑制，液相中的扩散也受到抑制，液 Ti含量逐渐上升，在凝固初期Ti上升比较缓慢，但 固溶质分配平衡仅限于液固界面附近极少的液相 是凝固后期上升加快.图3(b)是Mo在不同冷速下 中，此时冷速越高，残余液相中的溶质含量越低，偏 在液体中的含量，和Ti变化趋势类似，不同的是Mo 析越轻，所以随着冷速的增大，元素的偏析会减轻 在凝固后其含量有所下降.Mo在凝固后其下降的 图3(c)和(d)为液相中Cr、Co含量的变化.在 原因是，由于凝固过程为非平衡凝固，凝固过程存在 不同的冷速下这两种元素大体上随温度的降低而降 着元素的偏析导致在液相中会直接析出一些相，这 低，属于负偏析元素主要富集在枝晶干，可见Cr和 些相是在平衡凝固时不存在的如7相，如图4种所 C0的偏析也是随冷速的增大而降低 示的白色的细条状析出物.7相是一种Mo、Ti含量 2.4 Waspaloy合金液体密度的变化 较高的相，所以η相的析出会导致在凝固后期Mo 根据文献[89]提供的方法计算液体密度，该 的含量有所下降.由于Ti在液相中大量聚集，偏析 方法考虑了多元素合金溶液中多元素的混和效应， 程度远大于Mo,所以η相的析出并没有导致Ti有 具体公式如下： 下降的趋势 在凝固过程中，冷速对液相的成分的影响主要 通过两个因素：一是固相转变量一对于正偏析元 素来说，随着固相转变量增多，残余液相减少，液相 式中，P为液体密度，x:为元素的摩尔分数，A:为元
图2 不同冷速和温度下的凝固组织．（a）1350℃1℃·min —1；（b）1350℃3℃·min —1；（c）1350℃10℃·min —1；（d）1280℃1℃· min —1；（e）1280℃3℃·min —1；（f）1280℃10℃·min —1 Fig．2 Solidification microstructures at different temperatures under different cooling rates：（a）1350℃1℃·min —1；（b）1350℃3℃·min —1； （c）1350℃10℃·min —1；（d）1280℃1℃·min —1；（e）1280℃3℃·min —1；（f）1280℃10℃·min —1 2∙3 不同冷速下凝固时合金元素的再分配 合金在凝固过程中液相和固相具有不同的成 分必然引起溶质的再分布．合金在凝固过程中的 溶质再分配是产生偏析的根本原因［4—7］．图3（a）为 不同冷速下剩余液相中 Ti 含量的变化．由图中可 以看出随着温度的降低不同冷速冷却时液相中的 Ti 含量都呈升高的趋势．在三种冷速下液相中的 Ti 含量逐渐上升在凝固初期 Ti 上升比较缓慢但 是凝固后期上升加快．图3（b）是 Mo 在不同冷速下 在液体中的含量和 Ti 变化趋势类似不同的是 Mo 在凝固后其含量有所下降．Mo 在凝固后其下降的 原因是由于凝固过程为非平衡凝固凝固过程存在 着元素的偏析导致在液相中会直接析出一些相这 些相是在平衡凝固时不存在的如 η相如图4种所 示的白色的细条状析出物．η相是一种 Mo、Ti 含量 较高的相所以 η相的析出会导致在凝固后期 Mo 的含量有所下降．由于 Ti 在液相中大量聚集偏析 程度远大于 Mo所以 η相的析出并没有导致 Ti 有 下降的趋势． 在凝固过程中冷速对液相的成分的影响主要 通过两个因素：一是固相转变量———对于正偏析元 素来说随着固相转变量增多残余液相减少液相 中的溶质元素含量是增加的．所以随着温度的降低 三种冷速下 Ti 的含量呈上升趋势的．二是扩散 ———随着冷速在一定范围内升高固相中扩散逐渐 被抑制而液相中仍有较充分的扩散此时冷速越 高固相中的溶质含量偏离平衡成分越远残余液相 中的溶质含量越高；当冷速增加到一定程度不但固 相中扩散完全被抑制液相中的扩散也受到抑制液 固溶质分配平衡仅限于液固界面附近极少的液相 中此时冷速越高残余液相中的溶质含量越低偏 析越轻．所以随着冷速的增大元素的偏析会减轻． 图3（c）和（d）为液相中 Cr、Co 含量的变化．在 不同的冷速下这两种元素大体上随温度的降低而降 低属于负偏析元素主要富集在枝晶干．可见 Cr 和 Co 的偏析也是随冷速的增大而降低． 2∙4 Waspaloy 合金液体密度的变化 根据文献［8—9］提供的方法计算液体密度该 方法考虑了多元素合金溶液中多元素的混和效应 具体公式如下： ρ＝ ∑i xiA i ∑i xiV i ＋ΔV M ． 式中ρ为液体密度xi 为元素的摩尔分数A i 为元 ·762· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷
第7期 仲博颖等：冷却速度对Waspaloy合金凝固过程中偏析和液体密度的影响 .763. 素的原子质量，V:为元素的摩尔体积，△VM为不同 AVM=do+dix1+d2X2+d3 X3. 原子半径的多种合金元素混和后产生合金溶液的液 式中，d:为常数，d:值可从文献中得到；X:代表合 相体积减小量，△VM的计算表达式为： 金中不同的元素 12 4.2r (a) (b) 。1℃.minl 10 。-1℃，min-l ◆3℃.minl 3.6 ◆3℃.minl 10℃min +10℃·minl 8 3.0 6 2.4 4 12801300132013401360 1.20 12801300132013401360 温度/℃ 温度/℃ 20 14.5 (c) (d1℃minl ◆3℃，min- 18 13.5 。-10℃.min 16 12.5 14 11.5 1℃，min 12 t-3℃.min-l 10.5 10℃.minl 10 9.5 1280】30013201340】360 1280】300132013401360 温度/℃ 温度/℃ 图3不同冷速下液相中的Ti,Mo,Co和Cr含量随温度的变化.(a)Ti:(b)Mo;(c)Cr;(d)Co Fig-3 Ti.Cr and Co contents in residual liquid at different cooling rates:(a)Ti:(b)Mo:(c)Cr:(d)Co 合金密度8.22gcm-3最为相近.在凝固初期，液体 密度的下降主要取决于合金中元素的重新分配：凝 固初期合金中的Ti元素随温度的降低而上升，由 于Ti的密度较低，接近基体元素Ni的1/2，且富集 于液相，虽然比Ni稍重的Mo此时也呈上升趋势， 但由于变化不显著从而液相密度仍呈下降趋势.在 凝固的后期液体密度回升是由于液体中Cr元素的 8.2F 8.1 10℃.min 20m 8.0 图4冷速为1℃min-l时1280℃组织中的7相 7.9 7.8 Fig4 phase in microstructure at 1280C and a cooling rate of I 3 3℃，min ℃min 7.6 7.5 1℃min 图5是根据上述方法计算的不同冷速下剩余液 14 体的密度.可以看出，密度基本上呈下降趋势，只是 7.3l 12801300132013401360 在1300℃到1280℃的温度范围内有所回升.在同 温度/℃ 一温度下冷速大的液体密度几乎都大于低冷速下液 图5不同冷速下糊状区液体密度的变化 体的密度，尤其当冷速为l0℃min1时，液体在 Fig.5 Liquid density difference in mushy zone at 1360℃时密度可达8.17408gcm-3,与Waspaloy different cooling rates
素的原子质量V i 为元素的摩尔体积ΔV M 为不同 原子半径的多种合金元素混和后产生合金溶液的液 相体积减小量．ΔV M 的计算表达式为： ΔV M＝ d0＋ d1X1＋ d2X2＋ d3X3． 式中di 为常数di 值可从文献中得到；Xi 代表合 金中不同的元素． 图3 不同冷速下液相中的 Ti、Mo、Co 和 Cr 含量随温度的变化．（a） Ti；（b） Mo；（c） Cr；（d） Co Fig．3 TiCr and Co contents in residual liquid at different cooling rates：（a） Ti；（b） Mo；（c） Cr；（d） Co 图4 冷速为1℃·min —1时1280℃组织中的 η相 Fig．4 ηphase in microstructure at 1280℃ and a cooling rate of 1 ℃·min —1 图5是根据上述方法计算的不同冷速下剩余液 体的密度．可以看出密度基本上呈下降趋势只是 在1300℃到1280℃的温度范围内有所回升．在同 一温度下冷速大的液体密度几乎都大于低冷速下液 体的密度尤其当冷速为10℃·min —1时液体在 1360℃时密度可达8∙17408g·cm —3与 Waspaloy 合金密度8∙22g·cm —3最为相近．在凝固初期液体 密度的下降主要取决于合金中元素的重新分配：凝 图5 不同冷速下糊状区液体密度的变化 Fig．5 Liquid density difference in mushy zone at different cooling rates 固初期合金中的 Ti 元素随温度的降低而上升由 于 Ti 的密度较低接近基体元素 Ni 的1／2且富集 于液相虽然比 Ni 稍重的 Mo 此时也呈上升趋势 但由于变化不显著从而液相密度仍呈下降趋势．在 凝固的后期液体密度回升是由于液体中 Cr 元素的 第7期 仲博颖等： 冷却速度对 Waspaloy 合金凝固过程中偏析和液体密度的影响 ·763·
,764 北京科技大学学报 第30卷 含量下降很快，比Ni稍微轻的Cr降低和Mo降低 [2]Wei X.Experimental study on the machining of a shaped hole in 可以弥补T的升高，因此导致液体密度的回升，虽 Nibased super-heat-resistant alloy.J Mater Process Technol, 2002,129,143 然Co元素随温度下降而下降，但是其密度跟Ni相 [3]Cao W D.Kennedy R L.New developments in wrought 718-type 同，所以C。下降对液体密度上升没有什么影响，总 superalloys.Acta Metall Sin Engl lett,2005,18(1):39 体来讲，合金的液体密度随淬火温度的降低基本呈 [4]Li J G.Yu J J,Zhao N R.et al.Microsegregation behavior of a 下降趋势 Nickel-base superalloy.J Iron Steel Res,2003,15(7):260 上述现象说明，如果对Waspaloy合金采用向上 (李金国，于金江，赵乃仁，等.一种镍基高温合金的显微偏 析行为.钢铁研究学报，2003,15(7)：260) 定向凝固的方式，糊状区枝晶底部的液体密度低于 [5]Sun X F,Yin F S,Li J G.et al.Solidification behavior of a kind 枝晶尖附近液体的密度，也就是处于低处的液体密 of cast Nickel-base superalloy.Acta Metall Sin,2003.39(1): 度低于高处的液体密度，凝固过程会出现密度反转 现象.从实验结果还可以看出，在1320℃到 (孙晓蜂，殷风仕，李金国，等.一种铸造镍基高温合金的凝 1300℃范围内液体密度下降较快，凝固中最大密度 固行为.金属学报，2003,39(1)：27) 反转为0.01623gcm-3.℃-1.密度反转越大，越容 [6]Xiong Y H.Li P J.Yang A M,et al.Effects of foundry vari- ables and refiners on cast structures of superalloy K4169II:den" 易在凝固时产生糊状区对流，越易产生宏观偏 drite structures and granulation mechanisms.Acta Metall Sin. 析10).也就是说，由元素微观偏析导致液体密度的 2002,38(5):534 变化，如果这种现象出现在扩大锭型后的定向凝固 (熊玉华，李培杰，杨爱民，等.铸造工艺参数和细化剂对 中，极容易导致宏观偏析的产生， K4169高温合金铸态组织的影响（Ⅱ），金属学报，2002,38 (5):534) 3结论 [7]Kearsey R M.Beddoes JC.Jones P,et al.Compositional design considerations for microsegregation in single crystal superalloy sys (l)在Waspaloy合金中Ti和Mo为正偏析元 tems.Intermetallics,2004.12:903 素，Cr和C0为负偏析元素：其中，Ti的偏析大于 [8]Sung PK.Poirier DR.Mebride E,et al.Estimating densities of Mo,Co的偏析大于Cr, liquid transition metals and Ni-base superalloys.Mater Sci Eng, (2)当冷速较大时，溶质在凝固过程中没有足 1997,231A.189 [9]Auburtin P,Cockeroft S L.Mithchell A.et al.Liquid density 够的时间析出，所以增大冷速可以减少凝固偏析， inversion during the solidification of superalloys and their relation- (3)Waspaloy合金中在凝固过程中存在密度反 ship to freckle formation in castings//Superalloys 1996.TMS, 转，最大值可达0.01623gcm-3.℃-1.造成密度反 1996:443 转的主要原因是Tⅰ的凝固偏析， [10]Dong JX.Zhang M C.Zeng Y P,et al.Microstructure behav- ior and freckle characteristics for GH706 superalloy.Rare Met 参考文献 Mater Eng,2006,35(2):176 (董建新，张麦仓，曾燕屏，等.Inconel706合金宏观偏析“黑 [1]Penkalla H J,Wosik J,Czyrska-Filemonowicz A.Quantitative microstructural characterisation of Ni-base superalloys.Mater 斑”的形成特征及组织行为，稀有金属材料与工程，2006,35 Chem Phys,2003.81:417 (2):176)
含量下降很快比 Ni 稍微轻的 Cr 降低和 Mo 降低 可以弥补 Ti 的升高因此导致液体密度的回升．虽 然 Co 元素随温度下降而下降但是其密度跟 Ni 相 同所以 Co 下降对液体密度上升没有什么影响．总 体来讲合金的液体密度随淬火温度的降低基本呈 下降趋势． 上述现象说明如果对 Waspaloy 合金采用向上 定向凝固的方式糊状区枝晶底部的液体密度低于 枝晶尖附近液体的密度也就是处于低处的液体密 度低于高处的液体密度凝固过程会出现密度反转 现象．从 实 验 结 果 还 可 以 看 出在 1320℃ 到 1300℃范围内液体密度下降较快凝固中最大密度 反转为0∙01623g·cm —3·℃—1．密度反转越大越容 易在凝固时产生糊状区对流越易产生宏观偏 析［10］．也就是说由元素微观偏析导致液体密度的 变化如果这种现象出现在扩大锭型后的定向凝固 中极容易导致宏观偏析的产生． 3 结论 （1） 在 Waspaloy 合金中 Ti 和 Mo 为正偏析元 素Cr 和 Co 为负偏析元素；其中Ti 的偏析大于 MoCo 的偏析大于 Cr． （2） 当冷速较大时溶质在凝固过程中没有足 够的时间析出所以增大冷速可以减少凝固偏析． （3） Waspaloy 合金中在凝固过程中存在密度反 转最大值可达0∙01623g·cm —3·℃—1．造成密度反 转的主要原因是 Ti 的凝固偏析． 参 考 文 献 ［1］ Penkalla H JWosik JCzyrska-Filemonowicz A．Quantitative microstructural characterisation of N-i base superalloys． Mater Chem Phys200381：417 ［2］ Wei X．Experimental study on the machining of a shaped hole in N-i based super-heat-resistant alloy． J Mater Process Technol 2002129：143 ［3］ Cao W DKennedy R L．New developments in wrought718-type superalloys．Acta Metall Sin Engl lett200518（1）：39 ［4］ Li J GYu J JZhao N Ret al．Microsegregation behavior of a Nicke-l base superalloy．J Iron Steel Res200315（7）：260 （李金国于金江赵乃仁等．一种镍基高温合金的显微偏 析行为．钢铁研究学报200315（7）：260） ［5］ Sun X FYin F SLi J Get al．Solidification behavior of a kind of cast Nicke-l base superalloy．Acta Metall Sin200339（1）： 27 （孙晓峰殷凤仕李金国等．一种铸造镍基高温合金的凝 固行为．金属学报200339（1）：27） ［6］ Xiong Y HLi P JYang A Met al．Effects of foundry variables and refiners on cast structures of superalloy K4169Ⅱ：dendrite structures and granulation mechanisms．Acta Metall Sin 200238（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（Ⅱ）．金属学报200238 （5）：534） ［7］ Kearsey R MBeddoes J CJones Pet al．Compositional design considerations for microsegregation in single crystal superalloy systems．Intermetallics200412：903 ［8］ Sung P KPoirier D RMcbride Eet al．Estimating densities of liquid transition-metals and N-i base superalloys．Mater Sci Eng 1997231A：189 ［9］ Auburtin PCockcroft S LMithchell Aet al．Liquid density inversion during the solidification of superalloys and their relationship to freckle formation in castings∥ Superalloys 1996．T MS 1996：443 ［10］ Dong J XZhang M CZeng Y Pet al．Microstructure behavior and freckle characteristics for GH706superalloy．Rare Met Mater Eng200635（2）：176 （董建新张麦仓曾燕屏等．Inconel706合金宏观偏析“黑 斑”的形成特征及组织行为．稀有金属材料与工程200635 （2）：176） ·764· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷
