D0L:10.133745.issn1001-053x.2012.08.009 第34卷第8期 北京科技大学学报 Vol.34 No.8 2012年8月 Journal of University of Science and Technology Beijing Aug.2012 镍铬基K648合金aCr相析出的组织敏感性 史世凤区 范强 贾崇林牛永吉 北京北治功能材料有限公司，北京100192 区通信作者，E-mail:hsf2011@126.com 摘要研究了合金成分和热处理制度对K648合金组织中aCr相析出形态和力学性能的影响，并通过Thermo-calc软件计 算了K648合金平衡相析出规律.计算结果表明合金中的析出相主要为αC、y相和MC,碳化物.通过实际组织观察得出 合金中α《Cr相的析出形态对Cr含量和热处理工艺制度极为敏感，具体表现为aC相形态的多样性.力学性能测试进一步 表明合金的室温拉伸性能、冲击性能均受αC相形态和分布的影响，即合金性能表现出组织敏感性 关键词镍铬合金：微观组织：析出：敏感性分析：力学性能 分类号TG146.15 Microstructure sensitivity of o-Cr phase in Ni-Cr based alloy K648 SHI Shi-feng,FAN Qiang,JIA Chong-lin,NIU Yong-ji Beijing Beiye Functional Materials Corporation,Beijing 100192,China XCorresponding author,E-mail:shsf_2011@126.com ABSTRACT The effects of element contents and heat treatment regimes on the precipitation morphology of a-Cr phase and the mechanical properties of K648 superalloy were systematically investigated by room-temperature tension and impact tests.The precipita- tion law of equilibrium phases in K648 superalloy was calculated by Thermo-Calc software.The calculated results show that the main equilibrium precipitation phases are a-Cr phase,yphase and MC carbide.Microstructure observations indicate that the precipitati- on morphology of a-Cr phase is sensitive to the Cr content and heat treatment regime,demonstrating its morphological variety.Mechan- ical property tests further testify that the room-temperature tensile properties and impact properties are significantly dependent on the morphology and distribution of a-Cr phase,meaning that the mechanical properties of the alloy have microstructure sensitivity. KEY WORDS nickel chromium alloys:microstructure;precipitation:sensitivity analysis:mechanical properties 一般的高温合金中均添加一定量的Cr元素 的高铬合金，并在航空发动机中得到大量应用， 来保护合金表面不被氧化和热腐蚀.C含量越 其中以Π648合金（我国铸造合金称为K648)最 高，合金的耐蚀性尤其是耐硫腐蚀性越好山，但 为典型.对俄罗斯的Π648高温合金(Cr的质量 Cr含量增加势必导致合金中aCr相析出倾向增 分数高达35%)进行解剖分析后发现，该合金组 大.目前，国内外专家学者对一Cr相在高温合 织中存在大量的α-C:相和少量的碳化物，即在 金中的认识有两种观点)：一种观点把高温合 Π648高温合金设计上，俄罗斯采用了高Cr含 金中一Cr相的析出与冲击韧性下降联系在一 量使组织中Cr相大量析出的思路.该合金在 起；而另一种观点认为，在不超过极限温度的长 俄罗斯的设计成功并获得应用，使高温合金界对 时间使用过程中，尽管有少量的a一Cr相析出，并 aCr相有了崭新的认识 不会对使用性能产生太大的影响.在欧美国家对 K648合金是一种时效沉淀强化型铸造高温合 αCr相进行研究的时候，俄罗斯从20世纪70年 金，主要用于900℃以下抗氧化性要求较高的航空 代以来研制了一系列Cr质量分数在32%~35% 材料部件6-.此合金的主要强化元素为C、W、 收稿日期：201106-22
第 34 卷 第 8 期 2012 年 8 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 34 No． 8 Aug． 2012 镍铬基 K648 合金 α--Cr 相析出的组织敏感性 史世凤! 范 强 贾崇林 牛永吉 北京北冶功能材料有限公司，北京 100192 !通信作者，E-mail: shsf_2011@ 126． com 摘 要 研究了合金成分和热处理制度对 K648 合金组织中 α--Cr 相析出形态和力学性能的影响，并通过 Thermo-calc 软件计 算了 K648 合金平衡相析出规律． 计算结果表明合金中的析出相主要为 α--Cr、γ'相和 M23C6碳化物． 通过实际组织观察得出 合金中 α--Cr 相的析出形态对 Cr 含量和热处理工艺制度极为敏感，具体表现为 α--Cr 相形态的多样性． 力学性能测试进一步 表明合金的室温拉伸性能、冲击性能均受 α--Cr 相形态和分布的影响，即合金性能表现出组织敏感性． 关键词 镍铬合金; 微观组织; 析出; 敏感性分析; 力学性能 分类号 TG146. 1 + 5 Microstructure sensitivity of α-Cr phase in Ni-Cr based alloy K648 SHI Shi-feng! ，FAN Qiang，JIA Chong-lin，NIU Yong-ji Beijing Beiye Functional Materials Corporation，Beijing 100192，China !Corresponding author，E-mail: shsf_2011@ 126． com ABSTRACT The effects of element contents and heat treatment regimes on the precipitation morphology of α-Cr phase and the mechanical properties of K648 superalloy were systematically investigated by room-temperature tension and impact tests． The precipitation law of equilibrium phases in K648 superalloy was calculated by Thermo-Calc software． The calculated results show that the main equilibrium precipitation phases are α-Cr phase，γ' phase and M23C6 carbide． Microstructure observations indicate that the precipitation morphology of α-Cr phase is sensitive to the Cr content and heat treatment regime，demonstrating its morphological variety． Mechanical property tests further testify that the room-temperature tensile properties and impact properties are significantly dependent on the morphology and distribution of α-Cr phase，meaning that the mechanical properties of the alloy have microstructure sensitivity． KEY WORDS nickel chromium alloys; microstructure; precipitation; sensitivity analysis; mechanical properties 收稿日期: 2011--06--22 一般的高温合金中均添加一定量的 Cr 元素 来保护合金表面不被氧化和热腐蚀． Cr 含 量 越 高，合金的耐蚀性尤其是耐硫腐蚀性越好［1］，但 Cr 含量增加势必导致合金中 α--Cr 相析出倾向增 大． 目前，国内外专家学者对 α--Cr 相 在 高 温 合 金中的认识有两种观点［2--5］: 一种观点把高温合 金中 α--Cr 相的析出与冲击韧性下降联系在一 起; 而另一种观点认为，在不超过极限温度的长 时间使用过程中，尽管有少量的 α--Cr 相析出，并 不会对使用性能产生太大的影响． 在欧美国家对 α--Cr 相进行研究的时候，俄罗斯从 20 世纪 70 年 代以来研制了一系列 Cr 质量分数在 32% ～ 35% 的高铬合金，并在航空发动机中得到大量应用， 其中以"#648 合金( 我国铸造合金称为 K648 ) 最 为典型． 对俄罗斯的"#648 高温合金( Cr 的质量 分数高达 35% ) 进行解剖分析后发现，该合金组 织中存在大量的 α--Cr 相和少量的碳化物，即 在 "#648 高温合金设计上，俄罗斯采用了高 Cr 含 量使组织中 α--Cr 相大量析出的思路． 该合金在 俄罗斯的设计成功并获得应用，使高温合金界对 α--Cr 相有了崭新的认识． K648 合金是一种时效沉淀强化型铸造高温合 金，主要用于 900 ℃ 以下抗氧化性要求较高的航空 材料部件［6--10］． 此合金的主要强化元素为 Cr、W、 DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2012.08.009
第8期 史世凤等：镍铬基K648合金Cr相析出的组织敏感性 ·909· Nb、Al和Ti,合金中的第二相对合金的性能有重要 31.99%~33.18%,而合金5~9中对Cr含量进行 影响.该合金的一个突出的特点是Cr的质量分数 微调，以考察aCr相对合金中Cr元素含量的敏感 高达32%~35%，高的铬含量会增加a-Cr相和含 性.后两炉C的质量分数分别为0.02%和0.05%， Cr碳化物（如MC6和M,C3)的析出倾向，而目前 用来分析C含量对K648合金中a一Cr相的影响. αC相析出和分布形态对合金成分的敏感性以及所有合金均进行标准热处理，热处理制度为： 对性能的影响规律还没有系统的研究报道.本文主 1180±10℃保温4h,空冷+900±10℃时效16h,空 要对aCr相的析出形态进行系统观察分析，以期 冷.同时，为了研究热处理制度对组织和性能的影 获得该类合金中aCr相析出特征对成分及工艺的 响，对2号合金经1180℃固溶后分别采用水冷、空 敏感性 冷、油冷和炉冷，以及1180℃固溶后经900℃时效 2、6、10和16h,并分别进行组织和性能的观察 1实验材料及研究方法 分析. 利用25kg真空炉冶炼了11炉K648合金（成 样品经20%+80%的硫酸甲醇溶液电解侵蚀， 分见表1)，其中前9炉为Cr的质量分数在 用于扫描电子显微镜的形貌观察；室温拉伸、冲击和 31.99%~33.48%范围内波动，用以比较Cr含量变 持久试验以及硬度测试按照国家标准进行.对 化对合金组织和力学性能的影响.在这9炉合金 K648合金的热力学计算采用软件Thermo--Calc及 中，合金1~4中Cr的质量分数变化较大，为 相应的镍基数据库来实现. 表1合金的化学成分（质量分数） Table 1 Chemical composition of the alloys % 炉号 Si Cr 公 Mo 年 Nb Fe Ni 1 0.05 31.99 1.05 1.22 2.95 4.86 0.87 0.28 余量 0.07 32.47 1.08 1.17 2.95 4.74 0.85 0.18 余量 3 0.06 0.10 33.01 1.15 1.11 2.76 4.87 0.003 1.04 <0.20 余量 0.07 0.11 33.18 1.13 1.15 2.81 4.74 0.004 1.05 <0.20 余量 0.07 0.13 33.19 1.15 1.11 2.83 4.53 0.004 1.06 <0.20 余量 6 0.06 0.12 33.25 1.17 1.12 2.76 4.68 0.004 1.06 <0.20 余量 7 0.06 0.11 33.36 1.14 1.14 2.87 4.76 0.005 1.06 <0.20 余量 0.06 0.10 33.37 1.14 1.11 2.79 4.74 0.004 1.05 <0.20 余量 0.07 0.09 33.48 1.16 1.14 2.89 4.61 0.008 1.07 <0.20 余量 10 0.02 30.40 1.10 1.20 3.03 4.94 0.006 0.92 余量 11 0.05 30.24 1.10 1.20 3.05 4.93 0.008 0.96 余量 注：各合金中w(Mn)<0.2%,w(P)<0.015%,w(S)<0.003%,w(Se)<0.005% 2结果与讨论 α-Cr相的初始溶解温度为1040℃，y相的初始溶 解温度为910℃，M2C.低于1275℃就开始析出，各 2.1热力学平衡相图计算 析出相对应的平衡成分见表2. K648合金的典型化学成分（质量分数)为 2.2合金成分对组织的影响 0.04%C、33%Cr、2.8%Mo、4.5%W、0.9%Ti、 0.8%Al、0.8%Nb、余Ni.经热力学平衡相计算， 图2为合金1~4经标准热处理后对应的析出 得出当其化学成分为典型含量时各相析出量与析出 相形貌.可以看出经过标准热处理的合金组织与热 温度的关系如图1所示.结果表明，合金的主要平 力学相图计算结果基本吻合，能谱分析结果表明， 衡相为Y、a-Cr、y'、MxC6和μ相.a-Cr相是体心 合金主要的析出相为a-Cr相和晶界碳化物.从图 立方结构的富C固溶体，典型的碳化物为M,C6,Y 中可以看出，随着Cr的质量分数由31.99%（合金 相为Ni(Al,T).计算相图中有μ相存在，该相的 1)增加到33.18%（合金4)，aCr相析出形态发生 主要成分为Ni、Co、W和Mo,但通常在合金经过长 了明显的变化，对于C含量较低的合金1和合金 期时效后才析出.从计算结果得到，主要析出相 2,α一C为条状，各析出相间并不出现明显的“搭
第 8 期 史世凤等: 镍铬基 K648 合金 α--Cr 相析出的组织敏感性 Nb、Al 和 Ti，合金中的第二相对合金的性能有重要 影响． 该合金的一个突出的特点是 Cr 的质量分数 高达 32% ～ 35% ，高的铬含量会增加 α--Cr 相和含 Cr 碳化物( 如 M23 C6和 M7 C3 ) 的析出倾向，而目前 α--Cr 相析出和分布形态对合金成分的敏感性以及 对性能的影响规律还没有系统的研究报道． 本文主 要对 α--Cr 相的析出形态进行系统观察分析，以期 获得该类合金中 α--Cr 相析出特征对成分及工艺的 敏感性． 1 实验材料及研究方法 利用 25 kg 真空炉冶炼了 11 炉 K648 合金( 成 分见 表 1 ) ，其 中 前 9 炉 为 Cr 的 质 量 分 数 在 31. 99% ～ 33. 48% 范围内波动，用以比较 Cr 含量变 化对合金组织和力学性能的影响． 在这 9 炉合金 中，合 金 1 ～ 4 中 Cr 的质量分数变化较大，为 31. 99% ～ 33. 18% ，而合金 5 ～ 9 中对 Cr 含量进行 微调，以考察 α--Cr 相对合金中 Cr 元素含量的敏感 性． 后两炉 C 的质量分数分别为 0. 02% 和 0. 05% ， 用来分析 C 含量对 K648 合金中 α--Cr 相的影响． 所有 合 金 均 进 行 标 准 热 处 理，热 处 理 制 度 为: 1 180 ± 10 ℃保温 4 h，空冷 + 900 ± 10 ℃时效 16 h，空 冷． 同时，为了研究热处理制度对组织和性能的影 响，对 2 号合金经 1 180 ℃ 固溶后分别采用水冷、空 冷、油冷和炉冷，以及 1 180 ℃ 固溶后经 900 ℃ 时效 2、6、10 和 16 h，并分别进行组织和性能的观察 分析． 样品经 20% + 80% 的硫酸甲醇溶液电解侵蚀， 用于扫描电子显微镜的形貌观察; 室温拉伸、冲击和 持久试验以及硬度测试按照国家标准进行． 对 K648 合金的热力学计算采用软件 Thermo--Calc 及 相应的镍基数据库来实现． 表 1 合金的化学成分( 质量分数) Table 1 Chemical composition of the alloys % 炉号 C Si Cr Ti Al Mo W B Nb Fe Ni 1 0. 05 — 31. 99 1. 05 1. 22 2. 95 4. 86 — 0. 87 0. 28 余量 2 0. 07 — 32. 47 1. 08 1. 17 2. 95 4. 74 — 0. 85 0. 18 余量 3 0. 06 0. 10 33. 01 1. 15 1. 11 2. 76 4. 87 0. 003 1. 04 ＜ 0. 20 余量 4 0. 07 0. 11 33. 18 1. 13 1. 15 2. 81 4. 74 0. 004 1. 05 ＜ 0. 20 余量 5 0. 07 0. 13 33. 19 1. 15 1. 11 2. 83 4. 53 0. 004 1. 06 ＜ 0. 20 余量 6 0. 06 0. 12 33. 25 1. 17 1. 12 2. 76 4. 68 0. 004 1. 06 ＜ 0. 20 余量 7 0. 06 0. 11 33. 36 1. 14 1. 14 2. 87 4. 76 0. 005 1. 06 ＜ 0. 20 余量 8 0. 06 0. 10 33. 37 1. 14 1. 11 2. 79 4. 74 0. 004 1. 05 ＜ 0. 20 余量 9 0. 07 0. 09 33. 48 1. 16 1. 14 2. 89 4. 61 0. 008 1. 07 ＜ 0. 20 余量 10 0. 02 — 30. 40 1. 10 1. 20 3. 03 4. 94 0. 006 0. 92 — 余量 11 0. 05 — 30. 24 1. 10 1. 20 3. 05 4. 93 0. 008 0. 96 — 余量 注: 各合金中 w( Mn) ＜ 0. 2% ，w( P) ＜ 0. 015% ，w( S) ＜ 0. 003% ，w( Se) ＜ 0. 005% ． 2 结果与讨论 2. 1 热力学平衡相图计算 K648 合金的典型化学成分 ( 质 量 分 数) 为 0. 04% C、33% Cr、2. 8% Mo、4. 5% W、0. 9% Ti、 0. 8% Al、0. 8% Nb、余 Ni． 经热力学平衡相计算， 得出当其化学成分为典型含量时各相析出量与析出 温度的关系如图 1 所示． 结果表明，合金的主要平 衡相为 γ、α--Cr、γ'、M23 C6和 μ 相． α--Cr 相是体心 立方结构的富 Cr 固溶体，典型的碳化物为 M23C6，γ' 相为 Ni3 ( Al，Ti) ． 计算相图中有 μ 相存在，该相的 主要成分为 Ni、Co、W 和 Mo，但通常在合金经过长 期时效后才析出． 从计算结果得到，主要析出相 α--Cr相的初始溶解温度为 1 040 ℃，γ'相的初始溶 解温度为 910 ℃，M23C6低于 1 275 ℃ 就开始析出，各 析出相对应的平衡成分见表 2． 2. 2 合金成分对组织的影响 图 2 为合金 1 ～ 4 经标准热处理后对应的析出 相形貌． 可以看出经过标准热处理的合金组织与热 力学相图计算结果基本吻合． 能谱分析结果表明， 合金主要的析出相为 α--Cr 相和晶界碳化物． 从图 中可以看出，随着 Cr 的质量分数由 31. 99% ( 合金 1) 增加到 33. 18% ( 合金 4) ，α--Cr 相析出形态发生 了明显的变化，对于 Cr 含量较低的合金 1 和合金 2，α--Cr 为条状，各析出相间并不出现明显的“搭 ·909·
·910· 北京科技大学学报 第34卷 0.30 1350℃ 0.8 0.25 1280℃ 液相 液相 0.15 @-Cr 04 Y 0.10 0.2 910℃. a-Cr 0.05 M.Co 600800100012001400 400600800100012001400 温度℃ 温度℃ 图1K648合金热力学平衡相图(a)和局部放大图(b) Fig.1 Phase calculation results of K648 alloy (a)and partial magnification (b) 接”，而对于Cr含量较高的合金3和合金4，a-Cr aCr相析出形态明显不同，且高Cr含量的合金a一 相表现为编织状组织，这说明不同C含量的合金 Cr相析出量也偏多. 表2K648合金平衡析出相的计算成分（质量分数） Table 2 Calculated chemical compositions of equilibrium precipitation phases % 平衡相 Ni Cr W Mo Ti Nb C 72.28 19.82 5.75 1.93 微量 微量 0.122 微量 a-Cr 微量 99.21 0.55 0.22 一 一 76.89 1.41 5.01 0.30 5.22 6.12 5.02 MzCo 2.16 72.28 微量 20.38 一 5.14 μ 25.74 26.65 4.68 42.92 微量 a (b) a-Cr 10m 10m 大块-Cr 10 gm 10m 图2不同合金aCr相析出形态.(a)合金1：(b)合金2：(c)合金3：(d)合金4 Fig.2 a-Cr phase morphology of different alloys:(a)Alloy 1:(b)Alloy 2:(c)Alloy 3:(d)Alloy 4 图3给出了合金5~9经标准热处理后对应的 为33%左右.从图3的组织形貌看，析出相表现出 aCr相析出形态.五组合金Cr含量相差不大，均 不同的形态特征，有长片状、短棒状，甚至有花朵状
北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 图 1 K648 合金热力学平衡相图( a) 和局部放大图( b) Fig． 1 Phase calculation results of K648 alloy ( a) and partial magnification ( b) 接”，而对于 Cr 含量较高的合金 3 和合金 4，α--Cr 相表现为编织状组织，这说明不同 Cr 含量的合金 α--Cr 相析出形态明显不同，且高 Cr 含量的合金α-- Cr 相析出量也偏多． 表 2 K648 合金平衡析出相的计算成分( 质量分数) Table 2 Calculated chemical compositions of equilibrium precipitation phases % 平衡相 Ni Cr W Mo Al Ti Nb C γ 72. 28 19. 82 5. 75 1. 93 微量 微量 0. 122 微量 α--Cr 微量 99. 21 0. 55 0. 22 — — — — γ' 76. 89 1. 41 5. 01 0. 30 5. 22 6. 12 5. 02 — M23C6 2. 16 72. 28 微量 20. 38 — — — 5. 14 μ 25. 74 26. 65 4. 68 42. 92 — — 微量 — 图 2 不同合金 α--Cr 相析出形态． ( a) 合金 1; ( b) 合金 2; ( c) 合金 3; ( d) 合金 4 Fig． 2 α-Cr phase morphology of different alloys: ( a) Alloy 1; ( b) Alloy 2; ( c) Alloy 3; ( d) Alloy 4 图 3 给出了合金 5 ～ 9 经标准热处理后对应的 α--Cr 相析出形态． 五组合金 Cr 含量相差不大，均 为 33% 左右． 从图 3 的组织形貌看，析出相表现出 不同的形态特征，有长片状、短棒状，甚至有花朵状 ·910·
第8期 史世凤等：镍铬基K648合金aCr相析出的组织敏感性 ·911· 的析出形态.由此可见，尽管C含量相差不大，但 化即会对α一Cr相形态有显著的影响，具体表现为 aCr相的析出形态还是表现出明显的不同，说明该 aC相形态的丰富多样性，诸如针状、短棒状、编织 类高Cr镍基合金a一Cr相析出形态对合金成分和 状及花朵状. 工艺条件极为敏感.总体上看，合金C含量稍有变 (a) M.Cs 10m 10m d 10m 10m 图3不同合金a-Cr相析出形态.(a)合金5：(b)合金6：(c)合金7：(d)合金8：()合金9 Fig.3 a-Cr phase morphology of different alloys:(a)Alloy 5:(b)Alloy 6:(c)Alloy 7;(d)Alloy 8:(e)Alloy 9 仔细观察合金6和合金9（如图4所示），除了图4(b)).很显然，这些细小的颗粒状析出相是在 大片状的a一C相以外，在这些粗大相之间还能观时效过程中析出的二次αC相.因此可见，在这类 察到细小颗粒状的α-C相，同时在粗大析出相的 高Cr合金中，aCr相析出形态极为丰富，不仅有一 界面上也能观察到细小颗粒状相的析出（如 次aCr相析出，而且还有二次a-Cr相的析出. I gm 图4二次aCr相析出形貌.(a)合金6：(b)合金9 Fig.4 Morphology of secondary a-Cr phase:(a)Alloy 6:(b)Alloy 9 为了研究C含量对合金组织性能的影响，合金 形态也都有一定的差别.因此，很难肯定C含量是 10和合金11中C的质量分数从0.02%增加到 造成合金9和合金10中Cr相形态不同的决定性 0.05%.从图5中aCr相的组织形态看，C含量的 因素.但是，可以肯定的是，a一Cr相的析出形态对 增加似乎对aCr相有一定影响：但从C含量相差 成分和工艺参数极为敏感，具有极为丰富的析出形 不大的合金5~9的组织看，其aCr相的析出量和 态，这也为调整控制a一Cr相的析出方式以得到最
第 8 期 史世凤等: 镍铬基 K648 合金 α--Cr 相析出的组织敏感性 的析出形态． 由此可见，尽管 Cr 含量相差不大，但 α--Cr 相的析出形态还是表现出明显的不同，说明该 类高 Cr 镍基合金 α--Cr 相析出形态对合金成分和 工艺条件极为敏感． 总体上看，合金 Cr 含量稍有变 化即会对 α--Cr 相形态有显著的影响，具体表现为 α--Cr 相形态的丰富多样性，诸如针状、短棒状、编织 状及花朵状． 图 3 不同合金 α--Cr 相析出形态． ( a) 合金 5; ( b) 合金 6; ( c) 合金 7; ( d) 合金 8; ( e) 合金 9 Fig． 3 α-Cr phase morphology of different alloys: ( a) Alloy 5; ( b) Alloy 6; ( c) Alloy 7; ( d) Alloy 8; ( e) Alloy 9 仔细观察合金 6 和合金 9( 如图 4 所示) ，除了 大片状的 α--Cr 相以外，在这些粗大相之间还能观 察到细小颗粒状的 α--Cr 相，同时在粗大析出相的 界面 上 也 能 观 察 到 细 小 颗粒状相的析出 ( 如 图 4( b) ) ． 很显然，这些细小的颗粒状析出相是在 时效过程中析出的二次 α--Cr 相． 因此可见，在这类 高 Cr 合金中，α--Cr 相析出形态极为丰富，不仅有一 次 α--Cr 相析出，而且还有二次 α--Cr 相的析出． 图 4 二次 α--Cr 相析出形貌． ( a) 合金 6; ( b) 合金 9 Fig． 4 Morphology of secondary α-Cr phase: ( a) Alloy 6; ( b) Alloy 9 为了研究 C 含量对合金组织性能的影响，合金 10 和 合 金 11 中 C 的 质 量 分 数 从 0. 02% 增 加 到 0. 05% ． 从图 5 中 α--Cr 相的组织形态看，C 含量的 增加似乎对 α--Cr 相有一定影响; 但从 Cr 含量相差 不大的合金 5 ～ 9 的组织看，其 α--Cr 相的析出量和 形态也都有一定的差别． 因此，很难肯定 C 含量是 造成合金9 和合金10 中 α--Cr 相形态不同的决定性 因素． 但是，可以肯定的是，α--Cr 相的析出形态对 成分和工艺参数极为敏感，具有极为丰富的析出形 态，这也为调整控制 α--Cr 相的析出方式以得到最 ·911·
·912 北京科技大学学报 第34卷 为理想的一Cr相优化析出组合，并进一步获得最 优的力学性能提供了调控条件. (a) b 10m 10m 图5两种不同C含量的合金组织形貌对比.(a)合金10：(b)合金11 Fig.5 Comparison of microstructures between two alloys with different C contents:(a)Alloy 10:(b)Alloy 11 为了研究该类高Cr合金的组织稳定性，对11 增大，容易导致裂纹产生，对持久寿命不利.本试验 炉合金进行了持久性能测试.结果表明所有合金中 中合金1中C的质量分数为0.05%，处在有利的C aC相均具有较好的组织稳定性，特别是具有编织 含量范围之内.合金10中C与Cr含量均较低，其 状形貌a一Cr相的合金.以合金3为例，对经过 强度值明显偏小.合金1和合金2中Cr的质量分 800℃，180MPa持久试验后的合金组织进行对比分 数较低（分别为31.99%和32.47%），其优异的综合 析，图6为经过410h持久试验后的组织形貌.对比 力学性能和文献报道的结果相一致圆，研究表明C 图2(c)的原始热处理态的组织形貌可以看出，合金 的质量分数为32%~33%的GH648合金力学性能 中编织状aCr形态没有发生明显变化，说明合金3 较好. 的QCr相析出组态有较好的组织稳定性. 表3室温拉伸试验和冲击试验结果 Table 3 Results of tension and impact tests at room temperature 炉号 OL/MPa 81% 冲击吸收功，A,小 1 1150 14.5 18.0 2 1070 11.0 25.0 3 945 10.0 16.0 4 1010 7.5 17.5 5 1050 9.5 7.0 6 925 5.0 10 gm 7.0 7 1100 6.0 14.5 图6合金3经过410h持久试验后组织形貌 8 995 10.0 15.0 Fig.6 Microstructure of Alloy 3 after 410 h rupture test 9 945 5.5 17.0 2.3成分对合金力学性能的影响 10 955 8.0 32.0 表3为11炉合金室温拉伸和冲击试验结果. 955 9.0 24.0 可以看出合金成分对其力学性能有比较明显的影 响.合金1抗拉强度为1150MPa,为所有测试合金 当Cr的质量分数大于33%时，合金的抗拉强 中最高，同时还具有较好的塑性，可见未呈编织状的 度、塑性和冲击性能有所降低.合金7的抗拉强度 aCr对合金力学性能较为有利；合金4、6和9的塑 较大(1100MPa),可见星形花朵状分布的Cr相 性较差，可能与合金中存在有大块的一次a一C相 有利于合金强度指标的提高，但合金塑性和冲击性 析出有关.合金5和合金6的冲击吸收功最小，结 能较低. 合其组织照片推测，可能与晶界处析出的M3C6相 从对以上各合金的拉伸性能和冲击性能的对比 及长片状a-Cr相有关.有研究表明，适度的C 分析可以看出，αCr相的分布形态对力学性能有显 含量可以减少脆性α一C的析出，降低裂纹萌生的 著影响，粗大的一次αCr相析出越多，合金的塑性 可能性，而过高C含量会使一次碳化物体积和数量 将会下降，而适当的a一Cr相含量并以短棒状析出
北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 为理想的 α--Cr 相优化析出组合，并进一步获得最 优的力学性能提供了调控条件． 图 5 两种不同 C 含量的合金组织形貌对比． ( a) 合金 10; ( b) 合金 11 Fig． 5 Comparison of microstructures between two alloys with different C contents: ( a) Alloy 10; ( b) Alloy 11 为了研究该类高 Cr 合金的组织稳定性，对 11 炉合金进行了持久性能测试． 结果表明所有合金中 α--Cr 相均具有较好的组织稳定性，特别是具有编织 状形貌 α--Cr 相 的 合 金． 以 合 金 3 为 例，对 经 过 800 ℃，180 MPa 持久试验后的合金组织进行对比分 析，图 6 为经过 410 h 持久试验后的组织形貌． 对比 图 2( c) 的原始热处理态的组织形貌可以看出，合金 中编织状 α--Cr 形态没有发生明显变化，说明合金 3 的 α--Cr 相析出组态有较好的组织稳定性． 图 6 合金 3 经过 410 h 持久试验后组织形貌 Fig． 6 Microstructure of Alloy 3 after 410 h rupture test 2. 3 成分对合金力学性能的影响 表 3 为 11 炉合金室温拉伸和冲击试验结果． 可以看出合金成分对其力学性能有比较明显的影 响． 合金 1 抗拉强度为 1 150 MPa，为所有测试合金 中最高，同时还具有较好的塑性，可见未呈编织状的 α--Cr 对合金力学性能较为有利; 合金 4、6 和 9 的塑 性较差，可能与合金中存在有大块的一次 α--Cr 相 析出有关． 合金 5 和合金 6 的冲击吸收功最小，结 合其组织照片推测，可能与晶界处析出的 M23 C6相 及长片状 α--Cr 相有关． 有研究表明［7］，适度的 C 含量可以减少脆性 α--Cr 的析出，降低裂纹萌生的 可能性，而过高 C 含量会使一次碳化物体积和数量 增大，容易导致裂纹产生，对持久寿命不利． 本试验 中合金 1 中 C 的质量分数为 0. 05% ，处在有利的 C 含量范围之内． 合金 10 中 C 与 Cr 含量均较低，其 强度值明显偏小． 合金 1 和合金 2 中 Cr 的质量分 数较低( 分别为 31. 99% 和 32. 47% ) ，其优异的综合 力学性能和文献报道的结果相一致［8］，研究表明 Cr 的质量分数为 32% ～ 33% 的 GH648 合金力学性能 较好． 表 3 室温拉伸试验和冲击试验结果 Table 3 Results of tension and impact tests at room temperature 炉号 σb /MPa δ /% 冲击吸收功，Akv /J 1 1 150 14. 5 18. 0 2 1 070 11. 0 25. 0 3 945 10. 0 16. 0 4 1 010 7. 5 17. 5 5 1 050 9. 5 7. 0 6 925 5. 0 7. 0 7 1 100 6. 0 14. 5 8 995 10. 0 15. 0 9 945 5. 5 17. 0 10 955 8. 0 32. 0 11 955 9. 0 24. 0 当 Cr 的质量分数大于 33% 时，合金的抗拉强 度、塑性和冲击性能有所降低． 合金 7 的抗拉强度 较大( 1 100 MPa) ，可见星形花朵状分布的 α--Cr 相 有利于合金强度指标的提高，但合金塑性和冲击性 能较低． 从对以上各合金的拉伸性能和冲击性能的对比 分析可以看出，α--Cr 相的分布形态对力学性能有显 著影响，粗大的一次 α--Cr 相析出越多，合金的塑性 将会下降，而适当的 α--Cr 相含量并以短棒状析出 ·912·
第8期 史世凤等：镍铬基K648合金aCr相析出的组织敏感性 ·913· 则表现出较好的综合性能趋势 以看出，虽然空冷过程中也有部分α-C析出，但析 2.4冷却速度和热处理制度对合金组织和性能的 出位置比较零散且形状无规则，与时效态时常见的 影响 条状或星形不同，说明a-Cr的形貌是决定其强化 表4为合金2经1180℃固溶处理后，冷却速度 作用的主要因素。 对K648合金硬度的影响.可以看出经过炉冷的合 表4冷却速度对合金2硬度的影响 金硬度最高，而其他三种冷却方式对硬度影响不大. Table 4 Effect of cooling rates on the hardness of alloy 2 从组织照片看出（图7），当冷速较快时合金的析出 冷却方式 水冷 油冷 空冷 炉冷 相数量较少，由于析出相主要为a-C,可以确定其 硬度，HV 157 142 148 235 起到了一定的强化作用.对比空冷和炉冷的组织可 a 10m 10um 10m 10m 图7冷却速度对合金组织的影响.(a)水冷：(b)油冷：(c)空冷：(d)炉冷 Fig.7 Effect of cooling rate on the microstructure of the alloy:(a)water cooling:(b)oil cooling:(c)air cooling:(d)fumace cooling 对空冷后再经900℃不同时间时效的组织和硬 300 度进行分析.随着时效时间的延长，合金的硬度先 280 大幅度升高后略有下降（图8）.通过组织观察 260 (图9)发现αCr相的数量随着时效时间的延长而 240 不断增多，然后趋于饱和，条状的-Cr相互搭接， 发展成编织状组织，而析出相的尺寸变化不大，这也 220 说明了析出相形貌对合金性能的影响较大. 200 024681012141618 从以上的研究结果可以看出，该类高Cr合金中 时效时向h aCr相的析出形态极为丰富，不仅对合金中Cr含 图8时效时间对合金硬度的影响 量极为敏感，而且对工艺过程也很敏感.丰富的 Fig.8 Effect of aging time on the hardness of the alloy aC析出形态又影响到合金的力学性能，因此该类 高Cr的K648合金完全可以通过优化aCr相的析 约为I0h的情况下，可以使a-Cr组态表现为短棒 出形态以提高合金的综合力学性能.从本文的研究 状一次析出相与球状二次析出相共存的形貌，有利 结果来看，Cr的质量分数在32%~33%，时效时间 于合金性能
第 8 期 史世凤等: 镍铬基 K648 合金 α--Cr 相析出的组织敏感性 则表现出较好的综合性能趋势． 2. 4 冷却速度和热处理制度对合金组织和性能的 影响 表 4 为合金 2 经 1 180 ℃固溶处理后，冷却速度 对 K648 合金硬度的影响． 可以看出经过炉冷的合 金硬度最高，而其他三种冷却方式对硬度影响不大． 从组织照片看出( 图 7) ，当冷速较快时合金的析出 相数量较少，由于析出相主要为 α--Cr，可以确定其 起到了一定的强化作用． 对比空冷和炉冷的组织可 以看出，虽然空冷过程中也有部分 α--Cr 析出，但析 出位置比较零散且形状无规则，与时效态时常见的 条状或星形不同，说明 α--Cr 的形貌是决定其强化 作用的主要因素． 表 4 冷却速度对合金 2 硬度的影响 Table 4 Effect of cooling rates on the hardness of alloy 2 冷却方式 水冷 油冷 空冷 炉冷 硬度，HV 157 142 148 235 图 7 冷却速度对合金组织的影响． ( a) 水冷; ( b) 油冷; ( c) 空冷; ( d) 炉冷 Fig． 7 Effect of cooling rate on the microstructure of the alloy: ( a) water cooling; ( b) oil cooling; ( c) air cooling; ( d) furnace cooling 对空冷后再经 900 ℃不同时间时效的组织和硬 度进行分析． 随着时效时间的延长，合金的硬度先 大幅度 升 高 后 略 有 下 降 ( 图 8 ) ． 通 过 组 织 观 察 ( 图 9) 发现 α--Cr 相的数量随着时效时间的延长而 不断增多，然后趋于饱和，条状的 α--Cr 相互搭接， 发展成编织状组织，而析出相的尺寸变化不大，这也 说明了析出相形貌对合金性能的影响较大． 从以上的研究结果可以看出，该类高 Cr 合金中 α--Cr 相的析出形态极为丰富，不仅对合金中 Cr 含 量极为敏感，而且对工艺过程也很敏感． 丰富的 α--Cr析出形态又影响到合金的力学性能，因此该类 高 Cr 的 K648 合金完全可以通过优化 α--Cr 相的析 出形态以提高合金的综合力学性能． 从本文的研究 结果来看，Cr 的质量分数在 32% ～ 33% ，时效时间 图 8 时效时间对合金硬度的影响 Fig． 8 Effect of aging time on the hardness of the alloy 约为 10 h 的情况下，可以使 α--Cr 组态表现为短棒 状一次析出相与球状二次析出相共存的形貌，有利 于合金性能． ·913·
·914 北京科技大学学报 第34卷 10m 10m 10m 10m 图9时效时间对合金组织的影响.(a)2h:(b)6h:(c)10h:(d)16h Fig.9 Effect of aging time on the microstructure of the alloy:(a)2h:(b)6h:(c)10h:(d)16h in DA718 and STD718.Mater Sci Eng A,2003,358(1/2)71 3结论 [5]Wu C W,Dong J X,Zhang M C,et al.Thermodynamie calcula- tion and precipitation behavior of a-Cr phase in In718 alloy.Acta (1)K648合金中主要平衡析出相为α-Cr相、 Metall Sin,2001,37(11):1174 y相、M2C6碳化物和μ相，其中碳化物主要为 (吴翠微，董建新，张麦仓，等.a一Cr相在In718合金中的析 C2C6,实际组织分析结果与热力学计算较为接近. 出及其热力学计算.金属学报，2001,37(11)：1174) [6]Dong J X,Zhang M C,Zeng Y P.Thermodynamic calculation of (2)合金中aCr相的析出形态对Cr含量极为 precipitation phases in a high-Cr GH648 superalloy.Rare Met Ma- 敏感，C含量稍有变化就会对a-Cr相形态有显著 er Eng,2005,34(1):51 的影响，具体表现为Cr相形态的丰富多样性，诸 (董建新，张麦仓，曾燕屏.新型Ni-Cr基GH648合金成分对 热力学平衡相析出行为的影响.稀有金属材料与工程，2005， 如针状、短棒状、编织状及花朵状 34(1):51) (3)合金的室温拉伸性能、冲击性能均受aαCr ] Yan X F,Ma H P,Lu Y X,et al.Effect of carbon content on mi- 相的形态影响，冷却速度及时效时间均对a一C相 crostructure and property of GH648 alloy.J fron Steel Res,2001, 13(6):40 的形态有显著影响，并进一步影响合金的力学性能. (颜晓峰，马惠萍，卢亚轩，等.碳含量对GH648合金组织和 良好的a一Cr相析出组态表现出较好的组织稳 性能的影响.钢铁研究学报，2001,13(6)：40) 定性 (8] Yan X F,Ma H P,Lu Y X,et al.Effect of chromium content on microstructure and mechanical properties of GH648 alloy.I Mate 参考文献 Eng,2002(3):28 (颜晓蜂，马惠萍，卢亚轩，等.Cr含量对GH648合金组织及 [Grabke H J,Krajak R,Nava Paz J C.On the mechanism of cata- 力学性能的影响.材料工程，2002(3)：28) strophic carburization:metal dusting.Corros Sci,1993,35 (5- 9] Ma H P,Yang Y J,Yan X F,et al.Structure stability of GH648 8):1141 alloy after long-erm aging treatment at 800 C.J /ron Steel Res, Barker J F,Ross E W,Radavich J F.Long time stability of IN- 2007,19(4):54 C0NEL718.JMt,1970,22:31 (马惠萍，杨玉军，颜晓峰，等.GH648合金800℃长期时效后 B]Rao G A,Srinivas M,Sarma D S.Effect of thermomechanical 的组织稳定性.钢铁研究学报，2007,19(4)：54) working on the microstructure and mechanical properties of hot iso- 00] Zhou Y Q,Ma H P,Ju Q,et al.Effects of three kinds of heat statically pressed superalloy Inconel 718.Mater Sci EngA,2004, treatment on microstructure and mechanical properties of alloy 383(2):201 GH648.J Iron Steel Res,2007,19 (12)45 4]Wang G L.Wu C W,Zhang M C,et al.The microstructural (周轶群，马惠萍，鞠泉，等.三种热处理制度对GH4648合 changes and their effect on CCGR after long time thermal exposure 金组织和性能的影响.钢铁研究学报，2007,19(12)：45)
北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 图 9 时效时间对合金组织的影响． ( a) 2 h; ( b) 6 h; ( c) 10 h; ( d) 16 h Fig． 9 Effect of aging time on the microstructure of the alloy: ( a) 2 h; ( b) 6 h; ( c) 10 h; ( d) 16 h 3 结论 ( 1) K648 合金中主要平衡析出相为 α--Cr 相、 γ'相、M23 C6 碳 化 物 和 μ 相，其中碳化物主要为 Cr23C6，实际组织分析结果与热力学计算较为接近． ( 2) 合金中 α--Cr 相的析出形态对 Cr 含量极为 敏感，Cr 含量稍有变化就会对 α--Cr 相形态有显著 的影响，具体表现为 α--Cr 相形态的丰富多样性，诸 如针状、短棒状、编织状及花朵状． ( 3) 合金的室温拉伸性能、冲击性能均受 α--Cr 相的形态影响，冷却速度及时效时间均对 α--Cr 相 的形态有显著影响，并进一步影响合金的力学性能． 良好的 α--Cr 相析出组态表现出较好的组织稳 定性． 参 考 文 献 ［1］ Grabke H J，Krajak R，Nava Paz J C． On the mechanism of catastrophic carburization: metal dusting． Corros Sci，1993，35 ( 5-- 8) : 1141 ［2］ Barker J F，Ross E W，Radavich J F． Long time stability of INCONEL 718． J Met，1970，22: 31 ［3］ Rao G A，Srinivas M，Sarma D S． Effect of thermomechanical working on the microstructure and mechanical properties of hot isostatically pressed superalloy Inconel 718． Mater Sci Eng A，2004， 383( 2) : 201 ［4］ Wang G L，Wu C W，Zhang M C，et al． The microstructural changes and their effect on CCGR after long time thermal exposure in DA718 and STD718． Mater Sci Eng A，2003，358( 1 /2) : 71 ［5］ Wu C W，Dong J X，Zhang M C，et al． Thermodynamic calculation and precipitation behavior of α-Cr phase in In718 alloy． Acta Metall Sin，2001，37( 11) : 1174 ( 吴翠微，董建新，张麦仓，等． α--Cr 相在 In718 合金中的析 出及其热力学计算． 金属学报，2001，37( 11) : 1174) ［6］ Dong J X，Zhang M C，Zeng Y P． Thermodynamic calculation of precipitation phases in a high-Cr GH648 superalloy． Rare Met Mater Eng，2005，34( 1) : 51 ( 董建新，张麦仓，曾燕屏． 新型 Ni--Cr 基 GH648 合金成分对 热力学平衡相析出行为的影响． 稀有金属材料与工程，2005， 34( 1) : 51) ［7］ Yan X F，Ma H P，Lu Y X，et al． Effect of carbon content on microstructure and property of GH648 alloy． J Iron Steel Res，2001， 13( 6) : 40 ( 颜晓峰，马惠萍，卢亚轩，等． 碳含量对 GH648 合金组织和 性能的影响． 钢铁研究学报，2001，13( 6) : 40) ［8］ Yan X F，Ma H P，Lu Y X，et al． Effect of chromium content on microstructure and mechanical properties of GH648 alloy． J Mater Eng，2002( 3) : 28 ( 颜晓峰，马惠萍，卢亚轩，等． Cr 含量对 GH648 合金组织及 力学性能的影响． 材料工程，2002( 3) : 28) ［9］ Ma H P，Yang Y J，Yan X F，et al． Structure stability of GH648 alloy after long-term aging treatment at 800 ℃ ． J Iron Steel Res， 2007，19( 4) : 54 ( 马惠萍，杨玉军，颜晓峰，等． GH648 合金 800 ℃长期时效后 的组织稳定性． 钢铁研究学报，2007，19( 4) : 54) ［10］ Zhou Y Q，Ma H P，Ju Q，et al． Effects of three kinds of heat treatment on microstructure and mechanical properties of alloy GH648． J Iron Steel Res，2007，19( 12) : 45 ( 周轶群，马惠萍，鞠泉，等． 三种热处理制度对 GH4648 合 金组织和性能的影响． 钢铁研究学报，2007，19 ( 12) : 45) ·914·
