。716 北京科技大学学报 第31卷 集：A1和Cr的偏析系数分别为0878和0.888，在 表2主要元素在枝品间和枝品干的质量分数及其偏析系数 枝品干富集；C0的偏析系数为0971，偏析程度较 Table 2 Segregation coefficient and mass fraction of primary elemen ts 小.不同元素对比来看，偏析最严重的是Ti,其次是 枝品间元素 枝晶干元素 偏析 位置 元素 质量分数/%质量分数/% Mo.不同试样对比来看，Ti在R/2试样中的偏析 系数 Al 2144 2389 0897 最严重，这是由于R/2试样的组织为粗大枝晶，在 Ti 4700 0909 5171 形成时排斥了大量的T而引起的 铸锭边缘 Cr 10955 11.286 0971 2.3均匀化处理后的组织与元素偏析规律 Co 16223 19.238 0843 Mo 5280 2425 2178 2.3.1均匀化处理后的组织 Al 2100 2416 0869 铸锭经均匀化处理后的微观组织见图4.由图 Ti 6225 0726 8583 铸锭半径的1/2 4(a)可见，铸锭的枝晶组织、析出相等得到充分固 Cr 11.080 11.714 0946 处(R/2试样) Co 17.144 18.378 0933 溶，较为均匀，表明均匀化处理后试样偏析情况得到 Mo 5119 2.471 2072 改善.与铸态相比，合金中析出物数量减少.经均 2066 2378 0868 匀化处理后，铸锭中存在大方块状的细小Y相（图4 公 4892 0937 5220 铸锭中心 Cr 11.709 11.761 0996 (b)).热力学计算可知，铸锭中Y相在高温扩散退 Co 17.011 19.184 0887 火过程中会回溶到基体中，因此均匀化处理后铸锭 Mo 5293 2364 2239 中Y相是炉冷过程中从基体中重新析出的. 注：元素Al、Ti.Cr,Co和Mo的平均偏析系数K分别为Q878 6325.0971.0888和2.163 200山m 2山m 图4均匀化处理后GH105铸锭的微观组织照片.()铸锭中心处微观照片：(b)铸锭中心处Y'相 Fig 4 Microstructures of a GH105 ingot after bomogenizat ion:(a)micrs ructure in the center of the ingot;(b)phae in the center of the ingt 23.2均匀化处理工艺的理论分析 式中，T为均匀化时的温度，L为平均枝晶间距t 均匀化工艺的合理性主要是通过偏析系数的大 为均匀化的时间，P=R/Q和G=4.6/4红2DoQ 小来评判，其优点是可以最为直接地反映合金的均 为元素扩散激活能，Do为扩散常数，R为气体常 匀化程度和工艺合理性.由于偏析系数无法与枝晶品 数.式(1)反应了均匀化过程中温度、时间以及枝晶 间距（表征冷却速度或凝固速率）、均匀化时间等工 间距三者之间的关系.由于枝晶间距可以用来大体 业实际应用参数相关联因此对工业生产指导意义 表征合金的凝固速率或冷却速度，因此对于实际生 不大.目前常用的通过元素偏析来评判元素偏析程 产过程来说，采用一定冷速或凝固速率得到铸锭后， 度和评价均匀化工艺合理性的方法有两种：残余偏 可根据式(1)得出均匀化温度与所需均匀化时间的 析指数8和均匀化动力学方程？.在GH105铸锭 关系：若确定了均匀化温度，可得出相应的均匀化时 中，Ti、Mo的偏析最严重.根据文献10可知，在相 间：若给定了均匀化时间，则可估计均匀化所需要采 同的温度下，Ti元素的扩散速度比Mo的要慢很多， 用的温度.这对于工业生产有实际的指导意义. Ti的偏析不易消除，同时Ti的偏析系数也最高，因 从式(1)可以看出，若要计算Ti在GH105合金 此均匀化过程的理论计算只针对Tⅰ元素的扩散. 中的均匀化动力学，需要首先确定T元素的扩散常 (1)均匀化动力学方程对均匀化工艺的理论评 数和扩散激活能.文献10给出了Ti在Ni中质量 价.均匀化动力学方程如下式所示： 分数为2.44%~25%时的扩散系数，表明Ti的扩 散系数与其在合金中含量有关，同时也表明Tⅰ含量 (1) 降至一定程度(3%~4%)后，扩散系数趋于稳定，不集;Al 和 Cr 的偏析系数分别为 0.878 和 0.888 , 在 枝晶干富集;Co 的偏析系数为 0.971 , 偏析程度较 小.不同元素对比来看 ,偏析最严重的是 Ti ,其次是 M o .不同试样对比来看 , Ti 在 R/2 试样中的偏析 最严重 ,这是由于 R/2 试样的组织为粗大枝晶 , 在 形成时排斥了大量的 Ti 而引起的 . 2.3 均匀化处理后的组织与元素偏析规律 2.3.1 均匀化处理后的组织 铸锭经均匀化处理后的微观组织见图 4 .由图 4(a)可见, 铸锭的枝晶组织、析出相等得到充分固 溶,较为均匀,表明均匀化处理后试样偏析情况得到 改善.与铸态相比, 合金中析出物数量减少.经均 匀化处理后 ,铸锭中存在大方块状的细小 γ′相(图 4 (b)).热力学计算可知, 铸锭中 γ′相在高温扩散退 火过程中会回溶到基体中, 因此均匀化处理后铸锭 中γ′相是炉冷过程中从基体中重新析出的. 表 2 主要元素在枝晶间和枝晶干的质量分数及其偏析系数 Table 2 Segregation coeffi cient and mass fraction of primary elemen ts 位置 元素 枝晶间元素 质量分数/ % 枝晶干元素 质量分数/ % 偏析 系数 Al 2.144 2.389 0.897 Ti 4.700 0.909 5.171 铸锭边缘 C r 10.955 11.286 0.971 Co 16.223 19.238 0.843 Mo 5.280 2.425 2.178 Al 2.100 2.416 0.869 铸锭半径的 1/ 2 Ti 6.225 0.726 8.583 处(R/ 2 试样) C r 11.080 11.714 0.946 Co 17.144 18.378 0.933 Mo 5.119 2.471 2.072 Al 2.066 2.378 0.868 Ti 4.892 0.937 5.220 铸锭中心 C r 11.709 11.761 0.996 Co 17.011 19.184 0.887 Mo 5.293 2.364 2.239 注:元素Al、Ti、Cr 、Co 和Mo 的平均偏析系数 K 分别为 0.878 、 6.325 、0.971 、0.888 和2.163. 图 4 均匀化处理后GH105 铸锭的微观组织照片.(a)铸锭中心处微观照片;(b)铸锭中心处γ′相 Fig.4 Microstructures of a GH105 ingot after homogenization:(a)microstructure in the center of the ingot ;(b)γ′phase in the center of the ingot 2.3.2 均匀化处理工艺的理论分析 均匀化工艺的合理性主要是通过偏析系数的大 小来评判, 其优点是可以最为直接地反映合金的均 匀化程度和工艺合理性.由于偏析系数无法与枝晶 间距(表征冷却速度或凝固速率)、均匀化时间等工 业实际应用参数相关联, 因此对工业生产指导意义 不大 .目前常用的通过元素偏析来评判元素偏析程 度和评价均匀化工艺合理性的方法有两种:残余偏 析指数[ 8] 和均匀化动力学方程[ 9] .在 GH105 铸锭 中, Ti 、M o 的偏析最严重.根据文献[ 10] 可知 ,在相 同的温度下, Ti 元素的扩散速度比 Mo 的要慢很多 , Ti 的偏析不易消除, 同时 Ti 的偏析系数也最高, 因 此均匀化过程的理论计算只针对 Ti 元素的扩散 . (1)均匀化动力学方程对均匀化工艺的理论评 价.均匀化动力学方程如下式所示: 1 T =P ln t GL 2 (1) 式中 , T 为均匀化时的温度 , L 为平均枝晶间距, t 为均匀化的时间, P =R / Q 和 G =4.6/4π 2D0 , Q 为元素扩散激活能, D0 为扩散常数 , R 为气体常 数 .式(1)反应了均匀化过程中温度、时间以及枝晶 间距三者之间的关系.由于枝晶间距可以用来大体 表征合金的凝固速率或冷却速度, 因此对于实际生 产过程来说 ,采用一定冷速或凝固速率得到铸锭后, 可根据式(1)得出均匀化温度与所需均匀化时间的 关系:若确定了均匀化温度 ,可得出相应的均匀化时 间 ;若给定了均匀化时间,则可估计均匀化所需要采 用的温度.这对于工业生产有实际的指导意义 . 从式(1)可以看出 ,若要计算 Ti 在 GH105 合金 中的均匀化动力学 ,需要首先确定 Ti 元素的扩散常 数和扩散激活能.文献[ 10] 给出了 Ti 在 Ni 中质量 分数为 2.44 %～ 25 %时的扩散系数 , 表明 Ti 的扩 散系数与其在合金中含量有关, 同时也表明 Ti 含量 降至一定程度(3 %～ 4 %)后 ,扩散系数趋于稳定 ,不 · 716 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 31 卷