含铌高温合金液相中铌偏聚行为

D0I:10.13374/i.issn1001-053x.2005.02.018 第27卷第2期 北京科技大学学报 Vol.27 No.2 2005年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.2005 含铌高温合金液相中铌偏聚行为 董建新张麦仓曾燕屏 北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 摘要利用热力学相计算方法并结合相应的Ni基数据库对含Nb高温合金液相中Nb偏 析规律进行系统的计算分析，计算结果与文献报道的测试结果相符性较好.计算结果表明， 液相中Nb偏聚度和最大偏聚量随合金中Nb含量的增加并非单调的增加，而是先增加到一 定值后再趋于下降或不变，b偏聚度与液固相间的温度差却有单调增加的关系，在此规律的 理论指导下，提出了减小Nb偏析的合金设计思路并进行了对比分析， 关键词高温合金：GH4169:GH706:热力学计算：偏析 分类号TG132:0642 高合金化合金锭冶炼过程中最大问题是产 影响进行系统的研究，试图给出基于Nb偏析的 生宏观缺陷，如GH4169合金中出现的黑斑和白 有关理论设计依据. 斑.黑斑是一种宏观通道偏析，凝固过程中两相 区枝晶生长时部分溶质元素（如Nb,Mo,T)排入 1研究方法 枝晶间残余熔体，溶质元素富集的熔体与正常熔 采用Thermo-Calc相平衡计算和热力学评估 体之间由于密度的差异，产生流动.当熔化速度 体系与相应的Ni基数据库进行热力学模拟计 快，熔池较深，凝固速度相对较低时，富集溶质元 算，通过利用系统中各相的热力学特征函数严格 素的熔体流动呈一通道，在凝固往前推进时，富 的热力学关系，建立热力学模型，将相图和各种 溶质元素的熔体在凝固后形成黑斑.同时，钢 热力学数据联系起来，从而计算出系统中所有的 锭的铸态组织也存在显微偏析，这些成分的不均 热力学信息，得到可能析出的平衡相，并预测合 匀性在热加工过程中不能完全消除，导致材料显 金中化学成分对析出相及其含量的影响，揭示各 微组织和晶粒度的不均匀性，影响材料的均匀性 相的析出规律. 和质量5 所用的材料为国内外广泛应用的GH4169和 Nb偏聚行为对含Nb高温合金（如GH4169合 GH706合金.两种合金都含有较高的Nb,由于Nb 金)的性能有重要的影响，Nb在枝晶间的偏聚程 的偏析存在，锭型的进一步扩大受到抑制.合金 度将大大影响随后的均匀化处理和热加工参数 的化学成分见表1. 的确定，而枝晶间Nb的偏聚程度直接与液固两 相区中液态b的偏析和分布有关.如何分析液 表1合金的化学成分（质量分数） 态中Nb的偏析程度，b的分布随温度的变化规 Table 1 Chemical composition of the two analyzed alloys 律，以及合金中Nb含量对液态中Nb偏聚行为的 合金C Cr Fe Nb Ti Al Mo Ni 影响将是解决含b高温合金中偏析问题的关 GH7060.0316373.01.650.2-其余 GH41690.0318185.20.900.63其余 键，而有关此方面的文献报道较少，迄今尚没有 理论方面的系统分析.本文利用热力学平衡相计 算技术，对Nb在液相中的偏聚规律及Nb含量的 2结果与讨论 收稿日期：2004-04-30修回日期：2004-09-22 2.1液相中Nb的偏析规律 基金项目：国家自然科学基金资助项目(N0.50371006 采用表1中合金成分对GH4169合金进行热 作者简介：董建新(1965一)，男，教授，博士 力学计算，合金的初熔点和终熔点分别为1219

第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 让 、 含妮高温合金液相 中妮偏聚行为 董建新 张 麦仓 曾燕屏 北京科技大 学材 料 科学 与 工 程学 院 ， 北京 摘 要 利 用 热 力 学 相 计 算 方 法 并 结合相 应 的 基 数据 库 对 含 高温 合 金 液相 中 偏 析规 律进 行 系 统 的计 算 分 析 ， 计 算结 果 与 文 献报 道 的测 试 结 果 相 符性 较 好 计 算 结 果 表 明 ， 液 相 中 偏 聚 度和 最 大偏 聚 量 随 合 金 中 含 量 的增 加 并非单调 的增 加 ， 而 是 先 增 加 到 一 定值 后 再 趋 于 下 降或 不 变 ’ 偏 聚 度 与液 固相 间 的温度 差 却 有 单 调 增 加 的关 系 ， 在 此 规 律 的 理 论 指 导 下 ， 提 出 了减 小 偏析 的合 金 设 计 思 路 并进 行 了对 比 分 析 关键 词 高温 合 金 热 力学 计 算 偏 析 分 类号 高合 金 化 合 金 锭 冶 炼 过 程 中最 大 问题 是 产 生 宏 观 缺 陷 ， 如 合 金 中 出现 的黑 斑 和 白 斑川 黑斑 是 一种 宏观 通道 偏析 ， 凝 固过程 中两 相 区枝 晶 生 长 时部 分 溶 质 元 素 如 ， ， 排 入 枝 晶 间残 余熔体 ， 溶 质 元 素 富集 的熔 体 与 正 常熔 体 之 间 由于 密 度 的差 异 ， 产 生 流 动 当熔 化 速 度 快 ， 熔池 较深 ， 凝 固速 度 相对 较 低 时 ， 富集 溶质 元 素 的熔 体 流 动 呈 一 通 道 ， 在凝 固往 前 推 进 时 ， 富 溶 质 元 素 的熔 体在 凝 固后 形 成 黑 斑 ‘划 同时 ， 钢 锭 的铸 态 组 织 也存 在 显 微 偏 析 ， 这 些 成 分 的不 均 匀性在热 加 工 过程 中不 能完全 消 除 ， 导致 材 料 显 微 组 织 和 晶粒度 的不均 匀 性 ， 影 响材料 的均 匀 性 和 质 量， 偏 聚 行 为对 含 高温 合 金 如 合 金 的性 能 有 重 要 的影 响 ， 在 枝 晶 间 的偏 聚 程 度 将 大 大 影 响 随 后 的均 匀 化 处 理 和 热 加 工 参 数 的确 定 ， 而 枝 晶 间 的偏 聚 程 度 直 接 与 液 固两 相 区 中液 态 的偏 析 和 分 布 有 关 如 何 分 析 液 态 中 的偏 析 程 度 ， 的分 布 随温 度 的变 化 规 律 ， 以及 合 金 中 含 量 对 液态 中 偏 聚 行 为 的 影 响将 是 解 决含 ’ 高温 合 金 中偏 析 问题 的关 键 ， 而 有 关 此 方 面 的文 献 报 道 较 少 ， 迄 今 尚没 有 理 论 方面 的系统 分 析 本文 利 用 热 力学 平 衡 相 计 算 技 术 ， 对 在 液相 中 的偏 聚 规 律 及 ’ 含 量 的 收稿 日期 习今 修 回 日期 加 刁 一 基 金项 目 国家 自然 科学基金 资助项 目伽 作者简介 董建新 一 ， 男 ， 教授 ， 博士 影 响进 行 系 统 的研 究 ， 试 图给 出基 于 偏 析 的 有 关 理 论 设 计 依 据 研 究方 法 采 用 。 一 相 平 衡 计 算和 热 力学评 估 体 系 与 相 应 的 基 数 据 库 进 行 热 力 学 模 拟 计 算 ， 通 过 利用 系统 中各 相 的热 力 学特 征 函 数严 格 的热 力 学 关 系 ， 建立 热 力学 模 型 ， 将相 图和 各 种 热 力 学 数据 联 系起 来 ， 从 而计 算 出系 统 中所 有 的 热 力 学信 息 ， 得 到 可 能 析 出 的平 衡 相 ， 并预 测 合 金 中化 学 成 分 对 析 出相 及 其 含 量 的影 响 ， 揭 示 各 相 的析 出规 律 所 用 的材 料 为 国 内外 广 泛 应 用 的 和 合 金 两 种 合 金 都 含 有 较 高 的’ ， 由于 的偏 析 存 在 ， 锭 型 的进 一 步 扩 大 受 到抑 制 合 金 的化 学 成 分 见 表 表 合金 的 化 学成 分 质量 分 数 介 七 合 金 一 刀 一 其 余 其 余 结 果 与讨 论 液 相 中 的偏 析 规 律 采 用 表 中合 金 成 分对 合 金 进 行 热 力 学 计 算 ， 合 金 的初 熔 点和 终熔 点分 别 为 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2005．02．048

·198· 北京科技大 学学 报 2005年第2期 ℃和1357℃，对应的终熔点与初熔点的温度差为 18 1.0 138℃.在初熔点1219℃和终熔点1357℃之间对 16 Fe 液相中合金元素的偏聚规律进行计算，图1显示 Cr 0.8 了在初熔点和终熔点之间随温度变化合金元素 的偏聚规律.从图中可以明显看出，随着温度的 12 降低，液相中b发生了显著的偏聚现象，从平均 Nb 0.6 的5.2%上升到凝固完成时的14.5%.Mo和Ti随 温度的降低也稍有增加，但偏聚程度大大弱于 8 Nb.随温度的下降，C先是产生了一定程度的偏 0.4 聚，在1250℃后又呈下降趋势，说明在该温度范 围一次碳化物从液相中直接析出而导致C含量 Mo 的下降.图2为实验测得的NCONEL718(相当于 0.2 我国的GH4169)合金液态中合金元素的偏聚规 律（合金的初熔点和终熔点温度分别为1260℃和 Al,Cu,Co 0 1336℃)，比较图1和图2可以看出，实验测得的 1260 1280 1300 1320 1340 Nb,Mo和Ti的偏聚规律与计算结果基本一致， 温度/℃ 图2 INCONEL718合金粥状区枝晶间液态偏聚 但实验合金成分与计算合金所采用的成分不是 Fig.2 Interdendritic liquid segregation in the musby zone inIN- 完全相同，尤其Nb含量5.5%比计算合金要高，因 CONEL 718 alloy 此测出的b偏聚相应的比计算值略高 虽然GH706合金的Nb含量比GH4169合金 的要低，仅为3%，但从图3中GH706合金液相偏 20 聚的计算结果可知，b在液态中也有显著的偏 (a) 聚行为，Ti也有一定的偏聚倾向.同时，GH706合 16 金的初熔点和终熔点计算结果分别为1220℃和 Fe 1390℃，其之间的温度差为170℃.对比两种合 12 Mo 金，GH706合金的液固温度区范围比GH4169合 -TI 金的要宽， 为了研究合金液固相温度区范围对Nb偏析 程度的影响，分别计算了GH4169合金Nb含量从 4.5%至10%对应的液固相区范围和此范围内Nb 0 1210 1260 1310 1360 的液态偏聚规律，见图4.尽管Nb含量从4.5%增 温度/℃ 加到10%，不同Nb含量对应的液固温度区范围 0.7 (b) 及最大的Nb偏聚量也不同：但从图中可以看出， 80.6 不同Nb含量所引起的液态偏聚的倾向是一致 的，即b的液态偏聚与温度之间的关系对不同 0.4 Nb含量的关系几乎重叠成一条直线，有相同的 斜率，因此可以认为，液固相区温度范围的大小 一C 直接影响液态中b的偏聚程度，减小液固相区 0.2 的温度范围就可减小b的偏聚程度， 为便于讨论，定义Nb的偏聚度为液固相区 0 内随温度变化时最大的Nb偏析量减去最小的Nb 1210 1260 1310 1360 温度/℃ 偏聚量.针对不同的Nb含量，作两合金液固相温 图1GH4169合金液固两相区液相中合金元素的偏聚 度差（即终熔点与初熔点之间的温度差）与b偏 Fig.1 Calculated liquid segregation in liquid-solid temperature 聚度之间的关系曲线，见图5.从图中可以看出， range in GH4169 alloy 相同的温度差，GH4169合金的Nb偏聚度比

北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 几、、 、 象求咧馒麟招巾闷求、 ℃ 和 ℃ ， 对 应 的终熔 点与初熔 点 的温 度 差 为 ℃ 在初 熔 点 ℃ 和 终熔 点 ℃ 之 间对 液 相 中合 金 元 素 的偏 聚 规 律进 行 计 算 ， 图 显 示 了 在 初 熔 点和 终 熔 点之 间 随温 度 变 化 合 金 元 素 的偏 聚 规 律 从 图 中可 以 明显 看 出 ， 随着温 度 的 降低 ， 液相 中 发 生 了显 著 的偏 聚 现 象 ， 从平 均 的 上 升 到凝 固完 成 时 的 和 随 温 度 的 降低 也 稍 有 增 加 ， 但 偏 聚 程 度 大 大 弱 于 随温 度 的下 降 ， 先 是 产 生 了一 定程 度 的偏 聚 ， 在 ℃ 后 又 呈 下 降趋 势 ， 说 明在 该 温 度 范 围一 次碳 化 物 从 液 相 中直 接 析 出而 导致 含 量 的下 降 图 为 实验 测 得 的 相 当于 我 国 的 合 金 液态 中合 金 元 素 的偏 聚 规 律 合 金 的初熔 点和 终熔 点温 度 分别 为 ℃ 和 ℃ ， 比 较 图 和 图 可 以看 出 ， 实验 测 得 的 ， 和 的偏 聚 规 律 与计 算 结 果 基 本 一 致 ， 但 实验 合 金 成 分 与 计 算 合 金 所 采 用 的成 分 不 是 完 全 相 同 ， 尤其 含 量 比计 算 合 金 要 高 ， 因 此 测 出的 偏 聚 相 应 的 比计 算 值 略 高 虽 然 合 金 的 含 量 比 合 金 · 羹 彩 耸 。 ， 毕 认 ， 馒 份万及言份一 一卜卜、 、 国竺竺 温度 ℃ 一 图 合金 粥 状 区枝 晶 间 液 态 偏聚 一州卜 习卜 卜 叫卜 叫馒瑕如械尔咧芝阅 一 一 一 － 一 一 一 卜一 一一卜一一一一一令一一 温 度 ℃ 一 － · 卜 卜一一一中 一一一一一 叫卜 一 门卜 名帜职巾氧奈咧瞩叹芝 匕 温 度 ℃ 图 ‘ ，合金 液 固 两 相 区 液相 中合金 元 素 的偏 聚 比 弓 加代 的要 低 ， 仅 为 ， 但 从 图 中 合 金 液 相 偏 聚 的计 算 结 果 可 知 ， 在 液 态 中也 有 显 著 的偏 聚 行 为 ， 也 有 一 定 的偏 聚倾 向 同时 ， 合 金 的初 熔 点和 终熔 点计 算 结 果 分 别 为 ℃ 和 ℃ ， 其 之 间 的温 度 差 为 ℃ 对 比两 种 合 金 ， 合 金 的液 固温度 区 范 围 比 合 金 的 要 宽 为 了研 究 合 金 液 固相 温 度 区 范 围对 偏 析 程 度 的影 响 ， 分别 计 算 了 合 金 含 量 从 至 对 应 的液 固相 区 范 围和 此 范 围 内 的液 态 偏 聚 规 律 ， 见 图 尽 管 含 量 从 增 加 到 ， 不 同 含 量 对 应 的液 固温 度 区 范 围 及 最 大 的 偏 聚 量 也 不 同 但 从 图 中 可 以看 出 ， 不 同 含 量 所 引起 的 液 态 偏 聚 的倾 向是 一 致 的 ， 即 的液态 偏 聚 与温 度 之 间 的关 系对 不 同 含 量 的关 系 几 乎 重 叠 成 一 条 直 线 ， 有 相 同 的 斜 率 因此 可 以认 为 ， 液 固相 区 温 度 范 围 的 大 小 直接 影 响液 态 中 的偏 聚 程 度 ， 减 小 液 固相 区 的温 度 范 围就 可 减 小 ’ 的偏 聚 程 度 为便 于 讨 论 ， 定 义 的偏 聚 度 为液 固相 区 内随温度 变 化 时最 大 的 偏 析量 减 去最 小 的 偏 聚 量 针 对 不 同 的 含量 ， 作两 合 金 液 固相 温 度 差 即 终熔 点 与 初 熔 点之 间 的温 度 差 与 偏 聚 度 之 间 的关 系 曲线 ， 见 图 从 图 中 可 以看 出 ， 相 同 的 温 度 差 ， 合 金 的 偏 聚 度 比

Vol.27 No.2 董建新等：含铌高温合金液相中铌偏聚行为 ·199 20 0.3 (a) (b) 16 Nb 0.2 12 图 Cr -◆-AI Ti --C 8 0.1 g 1200 1250 1300 1350 1400 1200 1250 1300 1350 1400 温度/℃ 温度/℃ 图3GH706合金液因固两相区液相中合金元素的偏聚 Fig.3 Calculated liquid segregation in liquid-solid temperature range in GH706 alloy 12 16 10 GH4169 12 Nb 4.5% 6 GH706 8 量Nb5.22% ●Nb6% ±-Nb10% 2 0 0 100 1200 1300 1400 0 120 160 200 温度1℃ 温度/℃ 图4不同Nb含量对GH4169合金液态Nb偏聚的影响 图5液固两相区温度差对Nb偏聚度的影响 Fig.4 Dependence of Nb content on Nb liquid segregation in Fig.5 Dependence of solvent-solid temperature range on the Nb GH4169 alloy segregation degree of two alloys GH706合金要高，而两合金所表现的变化趋势是 GH4169合金要明显，值得注意的是，合金中Nb 相同的，都是随着液固温差的加大b偏聚度明 含量增加到一定值后，液相中Nb偏聚度随Nb含 显增加.可以认为，减小液固温差是抑制b偏析 量的增加反而下降，对于GH706合金Nb偏聚度 的途径之一.仔细比较两合金，虽然GH706合金 最大值在4%左右，GH4169合金为7.5%左右.Nb 的偏聚度比GH4169合金的要低，但标准的 在液相中的最大偏析量的变化规律也是有关Nb GH706合金的液固温差要比GH4169合金要大， 偏聚研究的关键问题.图7给出了合金中Nb含 导致GH706合金的Nb偏析倾向与GH4169相当 量对液相中Nb最大偏聚量的影响规律，从中可 (尽管前者比后者的Nb含量要低). 以看出，随合金中Nb含量的增加，液相中Nb的 Nb偏聚度与合金中Nb含量之间的关系可由 最大偏聚量先是急剧增加，到了一定值后，对 图6显示.随着合金中Nb含量的增加，液相中Nb GH706合金，最大Nb偏聚量趋于不变，GH4169 偏聚度显著增加，且GH706合金的增加趋势比 合金最大Nb偏聚量还稍有下降.这种Nb偏聚度 20 16 GH4169 GH706 6 GH706 R 2 GH4169 2 5 10 15 0 5 10 15 Nb的质量分数% Nb的质量分数% 图6合金中Nb含量对液相中Nb偏聚度的影响 图7合金中Nb含量对液相中最大Nb偏聚量的影响 Fig.6 Influence of Nb content on the Nb segregation degree of the Fig.7 Influence of Nb content on the maximum Nb segregation two alloys content of the two alloys

、 董 建 新等 含妮 高温 合 金 液相 中妮偏 聚 行 为 一 压厂一一一一一一一一一一一一门 。 · 丽二二二二二， 一一丁一二，－ 门 芝 粼 伞 赐 饵 名 麟 篡 · ， 闷口 ， 卜 叫如馒暇长撅众喇芝 一 温 度 ℃ 匕 温度 ℃ 图 ，。 合 金 液 固 两 相 区 液相 中合 金 元 素 的偏 聚 一 加 代 芝 石一 华名侧眠二之 ，乙， 曰 日，‘﹄ 概名求噢尝芝喇 记卜 匕 一一一 上 一一一口 温度 ℃ 图 不 同 含量 对 合 金 液态 偏 聚 的影 响 咭 · 代 ‘ ‘ 温 度 ℃ 图 液 固 两 相 区温 度差 对 偏聚度的 影响 ， 代 合 金 要 高 ， 而 两 合 金 所 表 现 的变 化 趋 势 是 相 同 的 ， 都 是 随着 液 固温 差 的加 大 偏 聚度 明 显 增 加 可 以认 为 ， 减 小 液 固温 差 是抑 制 偏 析 的途 径 之 一 仔 细 比较两 合 金 ， 虽 然 合 金 的 偏 聚 度 比 合 金 的 要 低 ， 但 标 准 的 合 金 的液 固温 差 要 比 合 金 要 大 ， 导致 合 金 的 偏 析 倾 向与 相 当 尽 管前 者 比 后 者 的 含 量 要 低 偏 聚度 与 合 金 中 含量 之 间 的关 系 可 由 图 显 示 随 着合 金 中 含 量 的增 加 ， 液 相 中 偏 聚度 显 著增 加 ， 且 合 金 的增加 趋 势 比 合 金 要 明显 值 得 注 意 的是 ， 合 金 中 含 量 增 加 到 一 定值 后 ， 液 相 中 偏 聚 度 随 ’ 含 量 的增 加 反 而 下 降 ， 对 于 合 金 偏 聚度 最 大值 在 左 右 ， 合 金 为 左 右 在 液 相 中 的最 大 偏 析 量 的变 化 规 律 也 是 有 关 ’ 偏 聚 研 究 的关 键 问题 图 给 出 了合 金 中 含 量 对 液 相 中 最 大 偏 聚 量 的影 响规 律 ， 从 中可 以看 出 ， 随合 金 中 含 量 的增 加 ， 液 相 中 的 最 大 偏 聚 量 先 是 急 剧 增 加 ， 到 了一 定值 后 ， 对 合 金 ， 最 大 偏 聚 量 趋 于 不 变 ， 合 金 最 大 ’ 偏 聚量 还 稍 有 下 降 ， 这 种 偏 聚度 内乙 ‘ ，‘茜片︹月了 名垠喂咧眠芝二之 只甘了 鹰侧眠名芝二之 曰‘ 的质 量 分 数机 图 ‘ 合金 中 含最对液相 中 偏班度 的影响 件 邝 幻即。 ‘ 二‘ ‘ ‘ 一一 的质量分 数 图 合金 中 含垦对液相 中最 大 协 偏聚最 的影响 云 肠

·200· 北京科技大学学报 2005年第2期 随Nb含量增加出现拐点的现象值得合金设计研 小Nb在液态中的偏聚是低Nb偏析合金设计的 究工作者的重视，可能对Nb含量越高Nb的偏聚 主导思路，为了降低液固区温度差，必须要先分 度越大的不明确认识提供理论上的参考依据， 析合金元素对合金的初熔点和终熔点的影响规 总之，以GH706和GH4169合金为例通过系 律，以表1中的GH4169合金标准成分为基准，通 统的理论分析，给出了合金液相中Nb偏聚的规 过调整合金元素含量，计算分析各合金元素的变 律以及有关Nb含量对液相中偏聚度、最大偏聚 化对合金熔点的影响，图8给出的是各合金元素 量以及液固相区温度差对偏聚度的影响规律，通 对GH4169合金熔点的影响规律.可见，C增加可 过对这些规律的系统分析比较，对含b高温合 以缩小初熔点和终熔点之间的温差，降低C和 金液相中b偏聚影响提供理论参考依据，为合 F的含量同样也可以缩小它们之间的温度差，适 金设计奠定理论基础， 当降低Nb和Ti也能有同样的作用，增加Al含量 2.2基于Nb偏聚度的合金设计思路 似乎与C有相同的作用.为了减小b的偏聚影 从上述的分析可以得出，为了降低b的偏 响，根据各个合金元素对熔点的贡献，对GH4169 聚度，不论从理论上还是从实际工艺操作上，控 合金成分进行适当的调整，化学成分调整对比见 制合金元素含量，减小液固两相区的温度差以减 表2. 1400a) 1400 (b) 1350 1350 91300 1300 装1250 1250 1200 1200 1150 115 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 12 17 22 27 C的质量分数% Cr的质量分数% 1400 1400 (c) (d) 1350 1350 1300 91300 1250 喪 1250 1200 1200 1150 1150 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 0 0.5 1.0 1.5 2.0 Nb的质量分数% Ti的质量分数% 1400 1400 (e) (0 1350 1350 2 C 1300 1300 驶 安 1250 1250 1200 1200 115 115 14 16 18 20 22 24 0 0.5 1.0 1.5 Fe的质量分数% A1的质量分数% 图8合金元素对GH4169合金熔点的影响 Fig.8 Effect of chemical composition on the melting point of GH4169 alloy 表2设计合金与GH4169合金的化学成分对比（质量分数） 针对该设计合金进行理论分析，合金的初熔 Table 2 Chemical composition of a designed alloy and GH4169 alloy % 点和终熔点分别为1266℃和1366℃，初熔点与终 合金C Cr Fe Nb Ti Al Mo Ni 熔点之间的温度差为100℃，比标准合金的138℃ GH41690.031818520.90.63其余 小了38℃.液相中Nb的偏聚规律见图9.对比图 设计合金0.05151550.51.53其余 1和图9，可以明显看出，由于液固相区温差的减

北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 随 含 量 增 加 出现 拐 点 的现 象 值 得 合 金 设 计 研 究 工 作 者 的重 视 ， 可 能对 含 量 越 高 的偏 聚 度越 大 的不 明确 认 识 提 供 理 论 上 的参 考 依据 总 之 ， 以 和 合 金 为例 通 过 系 统 的理 论 分 析 ， 给 出 了合 金 液 相 中 偏 聚 的规 律 以及 有 关 含量 对 液 相 中偏 聚 度 、 最 大偏 聚 量 以及 液 固相 区温度 差对 偏聚 度 的影 响 规 律 ， 通 过 对 这 些 规 律 的系 统 分 析 比 较 ， 对 含 高温 合 金 液 相 中 偏 聚 影 响提供 理 论 参 考 依 据 ， 为合 金 设 计 奠 定 理 论 基 础 基 于 偏 聚 度 的合 金 设 计 思 路 从 上 述 的分 析可 以得 出 ， 为 了 降低 的偏 聚 度 ， 不 论 从 理 论 上 还 是 从 实 际 工 艺操 作 上 ， 控 制 合 金元 素 含量 ， 减 小液 固两相 区 的温度 差 以减 小 在 液 态 中 的偏 聚 是低 偏 析 合 金 设计 的 主 导 思 路 为 了 降低 液 固 区 温 度 差 ， 必 须 要 先 分 析 合 金 元 素 对 合 金 的初 熔 点 和 终 熔 点 的影 响 规 律 以表 中 的 合 金 标 准 成 分 为基 准 ， 通 过 调 整 合 金 元 素含 量 ， 计 算分 析各合 金 元 素 的变 化 对 合 金 熔 点 的影 响 图 给 出 的是 各 合 金 元 素 对 合 金熔 点 的影 响规 律 可 见 ， 增 加 可 以缩 小初 熔 点和 终熔 点 之 间 的温 差 ， 降低 和 的含量 同样 也 可 以缩 小它 们 之 间 的温度 差 ， 适 当 降低 和 也 能有 同样 的作 用 ， 增 加 含 量 似 乎 与 有 相 同 的作 用 为 了减 小 的偏 聚 影 响 ， 根 据各 个 合 金 元 素 对 熔 点 的贡献 ， 对 合 金成 分 进 行适 当 的调 整 ， 化 学成 分 调 整 对 比见 表 欢城、户 雨… 气，‘内 日曰八曰气︸‘﹄︸ 日︵﹄︵ 艇竣、卯 刀 的质 量 分 数 一向 一 一 一 岛 一 与 的质量 分 数 ， 一 弓 一 ， 一一 、 一 一一一 ， 一一一 一﹃，‘且 卫 山凡︸，内、 曰︸曰七︸、﹄，﹃︸ 八甘﹄ 艇软、 、蜓软卯 ，石伟气乙，里 的质 量 分 数瓜 的质 量 分 数肠 卜 一一 一一 一一一门 令一一一一叫卜一一一 一一 一 镬软、 的质 量 分数 丽匕卜 艇映、卯 的质量 分数 图 合金 元 素对 合金 熔 点 的影响 幻触 恤 幻 肠 表 设 计合金 与 ，合金 的 化学成分对 比 质最 分数 加 ，孟 韶 沙 ” ‘ 合 金 一 李 兮︺弓 设 计 合金 其 余 其余 针 对 该 设计 合 金 进 行 理 论 分 析 ， 合 金 的初 熔 点和 终熔 点分别 为 ℃ 和 ℃ ， 初熔 点与终 熔 点之 间 的温 度 差 为 ℃ ， 比标 准 合 金 的 ℃ 小 了 ℃ 液 相 中 的偏 聚 规 律 见 图 对 比 图 和 图 ， 可 以 明显 看 出 ， 由 于 液 固相 区 温 差 的减

Vol.27 No.2 董建新等：含铌高温合金液相中铌偏聚行为 ·201· ◆Cr 度和最大偏聚量随合金中b含量的增加并非单 16 Fe Nb 调增加，而是先增加到一定值后再趋于下降或不 ◆-Mo 农 Ti 变.b的偏聚度与液固相间的温度差却有单调 召 增加的关系，在此规律的理论指导下，提出了减 小Nb偏析的合金设计思路. 04 参考文献 1210 1260 1310 1360 温度/℃ [1]Bennon W D,Incropera F P,The Evolution of macrosegregation 图9设计合金液固两相区液相中合金元素的偏聚 in statically cast binary ingots.Metall Trans B,1987,18B(9): Fig.9 Calculated liquid segregation in liquid-solid temperature 611 range in a designed alloy [2]Frueh C,Poirier D R,Felicelli S D.Predicting freckle-defects in directionally solidified Pb-Sn alloys.Materials Sci Eng A, 小，Nb的最大偏聚量和偏聚度都比标准合金要 2002,A328:245 小. [3]Helms A D.Adasczik B,Jackman L A.Extending the size limits of cast/wrought superalloy ingots.In:Superalloys 1996.TMS, 由此可见，通过对b在液相中偏聚行为的 1996.427 理论分析，可以获得有关Nb偏聚行为的理论规 [4]Auburtin P,Wang T,Cockcroft SL,et al.Freckle formation and 律，并且可以利用这些理论规律对合金设计提供 freckle criterion in superalloy.Metall Trans,2000,31B:801 理论上的设计依据， [5]FelicelliS D,Poirier DR,HeinrichJC.Macrosegregation pat- terns in multicomponent Ni-base alloys.J Crystal Growth, 1997,177:145 3结论 [6]Frueh C,Poirier D R,Erdmann R G,et al.On the length-scale and location of channel nucleation in directional solidifaction. 利用热力学相计算方法并结合相应的Ni基 Mater Sci Eng,2003,A345:72 热力学数据库可以对含b高温合金中有关Nb [7]Auburtin P,Cockeroft S L,Mitchell A.Liquid density inversions 的偏析规律进行计算分析，计算结果与文献报道 during the solidification of superalloys and their relationship to freckle formation in castings.In:Superalloys 718,625,706 and 的测试结果相符性较好.在此基础上，对b的偏 Various Derivatives.TMS,1997.47 析行为进行了系统计算，表明液相中b的偏聚 Calculation of Nb segregation behavior in liquid phase for Nb-rich superalloys DONG Jianxin,ZHANG Maicang,ZENG Yanping Materials Science and Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT The Nb segregation regulation and behavior in liquid phase were calculated using a thermodynamic calculation method and corresponding Ni-base database for two Nb-rich superalloys.The calculated results are agreeable with experimental values from references.Based on this model,the Nb segregation degree and the maxi- mum Nb segregation content in liquid-solid temperature range do not linearly increase with increasing Nb content, but rising to the maximum then droping.However,the Nb segregation degree monotonously increases with incre- asing liquid-solid temperature range.According to this theoretic calculation,a method for alloy design was discuss- ed in term of reducing Nb segregation and enlarging ingots. KEY WORDS superalloy;GH4169;GH706;thermal-dynamic calculation;segregation

董建 新等 含妮 高温 合金 液 相 中妮 偏聚 行 为 度 和 最 大 偏 聚 量 随合 金 中 含 量 的增 加 并 非 单 调增 加 ， 而 是 先 增 加 到 一 定值 后 再 趋 于 下 降或 不 变 的偏 聚 度 与 液 固相 间 的温度 差 却 有 单 调 增 加 的关 系 ， 在 此 规 律 的理 论 指 导 下 ， 提 出 了减 小 偏 析 的合 金 设 计 思 路 名瑕饵长叫如象众则途 ‘ 考 文 献 温度 ℃ 图 ， 设计 合金 液 固 两 相 区液 相 中合金 元 素的偏聚 代 蛇 一 代 小 ， 的最 大 偏 聚 量 和 偏 聚 度 都 比 标 准 合 金 要 刁 、 由此 可 见 ， 通 过 对 在 液 相 中偏 聚 行 为 的 理 论 分 析 ， 可 以获得 有 关 偏 聚 行 为 的理 论 规 律 ， 并且 可 以利 用 这 些 理 论规 律对 合 金 设 计 提 供 理 论 上 的设 计 依 据 结论 利 用 热 力 学 相 计 算 方 法 并 结 合 相 应 的 基 热 力 学 数 据 库 可 以对 含 高温 合 金 中有 关 的偏 析规 律 进 行 计 算分 析 ， 计 算 结 果 与 文 献报 道 的测 试 结 果 相 符 性 较 好 在 此 基 础 上 ， 对 的偏 析 行 为进 行 了系 统 计 算 ， 表 明液相 中 的偏聚 ， ， 脚 ， ， ， 民 一 一 ， ， ， 议 ， 沈 面 灯 ， ， 汕 ， ， ， ， ， ， 一 哪 ， ， ， 民 ， 嗯 一 叭 ， ， ， ， ’ ， ， ， ， 公 ， 参 一 ， 刀丈咬刀 几白 ， 互 ， 饥 介 ， ， 一 一 ， ， 一 ， ， 一 叮 ， 飞 即 一