·1430· 工程科学学报，第38卷，第10期 材料必须具有较好的高温力学性能、高屈服点、长期组 于对温度要求更高的汽油发动机的增压涡轮.K424 织稳定性及良好的铸造性能.镍基高温合金因具 合金的可铸性较差，在浇注增压涡轮时，铸件的热裂率 有足够的高温强度、热稳定性、抗机械疲劳性、抗热疲 明显高于K418合金，产品成型率低.这一问题极大地 劳性能等优点，长期以来被大量用于制作汽车增压器 制约着铸件产品质量提高及成本降低，并严重影响到 涡轮.目前国内大量使用的增压涡轮材料是自行研制 产品的安全使用性能.合金成分、铸型性质、铸件结 的K418、K419、K4002等铸造高温合金，国外用于增压 构、浇注条件、浇注系统设计等因素都会影响热裂的产 涡轮的材料有Inconel713C、GMR235和MAR-M246. 生，但合金特性对热裂的产生影响极大并且很难通过 目前国内大量使用的增压涡轮材料K418合金为 铸造工艺调整完全消除热裂，讨论合金特性对热裂的影 镍基沉淀硬化型等轴晶铸造高温合金，以Y相为沉淀 响规律，对于防止铸件热裂，获得合格铸件具有重要意义. 强化相，密度为8.0g·©m3,使用温度在900℃以下，主 本文将从显微组织、合金成分、凝固规律等方面介 要应用于柴油机和部分汽油机增压涡轮.根据《中国 绍K424合金特性：同时结合增压涡轮叶片热裂的具 高温合金手册》，与K418合金相比，K424合金具有 体情况从合金特性角度分析涡轮叶片产生热裂的具体 低密度和高承温能力的特性，其他多项物理力学性能 原因.最后，对比K418合金从实验和模拟两方面综合 也优于K418合金，具有良好的综合性能.K424合金 讨论分析不同铸造合金的热裂倾向性，并针对K424 密度为7.87gcm3,使用温度小于1000℃，具有较高 合金，提出减少涡轮叶片热裂的建议. 的高温强度和塑性，目前已应用于制作航空、航天发动 1实验 机涡轮叶片、尾喷口调节器、整铸涡轮转子、导向器等 部件.K424应用于增压涡轮材料有利于实现增压涡 采用真空感应炉熔炼母合金，经真空感应炉重熔， 轮的轻量化，降低涡轮的转动惯量，改善响应切：而较 用熔模铸精密铸造法浇注增压器涡轮.母合金成分如 高的使用温度(850~950℃)使得K424合金可以应用 表1所示 表1实验合金主要化学成分（质量分数） Table 1 Chemical compositions of tested alloy 合金 Cr Mo Al b Co W Fe K424 9.09 3.06 5.26 0.64 4.44 12.58 1.14 0.62 0.120 0.180 K418 13.7 4.21 6.09 2.12 0.83 0.082 0.124 为研究K424合金显微组织特征及热裂特性，分 械抛光后采用化学侵蚀，观察两种合金的显微组织特 别从涡轮轴部(1)和裂纹处(2)切取试样.轴部试样 征，对比其微观组织的差异；采用JMatPro热力学计算 尺寸为10mm×10mm×l0mm,如图1所示.试样经机 软件中的镍基高温合金数据库进行热力学模拟计算， 械抛光后采用化学侵蚀，用电子显微镜观察合金的显 分析合金中元素的偏析规律、γ的析出温度和凝固路 微组织及热裂纹的开裂特征. 径；采用有限元模拟软件ProCast的热弹塑性模型，模 拟铸造过程中合金的应力分布情况.从实验和计算两 方面分析合金热裂倾向性差异原因. 2结果与讨论 2.1K424合金显微组织实验分析 K424合金的铸态组织由Y基体、Y相、y+Y共 晶、MC碳化物和少量的M,B,型硼化物组成.图2所 示为K424合金的铸态微观组织.合金呈现典型的树 枝状结构，枝晶间形成枝晶间隙。枝晶间区域面积较 大，分布有y+y共晶和MC碳化物，如图3(a)和(b) 图1叶片产生热裂的K424增压涡轮 所示.Y相呈立方体状弥散分布在y基体上，且y相 Fig.1 Appearance and hot tearing in the blade of a K424 alloy tur- bocharger turbine 在枝晶间和枝晶干的分布不均匀，如图3(c)和(d) 所示. 为分析合金热裂倾向性差异的原因，将K424合 高温合金通常加入Ti、Al、W、Co、Ta、Mo、Cr、Nb、 金与K418合金进行对比研究.分别从两种合金浇注 Z等合金元素，以提高合金的强度.但在凝固过程中 的涡轮轴部切取10mm×10mm×10mm的试样，经机 由于溶质再分配，合金元素发生偏析.通过能谱分析工程科学学报，第 38 卷，第 10 期 材料必须具有较好的高温力学性能、高屈服点、长期组 织稳定性及良好的铸造性能［2--4］． 镍基高温合金因具 有足够的高温强度、热稳定性、抗机械疲劳性、抗热疲 劳性能等优点，长期以来被大量用于制作汽车增压器 涡轮． 目前国内大量使用的增压涡轮材料是自行研制 的 K418、K419、K4002 等铸造高温合金，国外用于增压 涡轮的材料有 Inconel713C、GMＲ235 和 MAＲ--M246［5］． 目前国内大量使用的增压涡轮材料 K418 合金为 镍基沉淀硬化型等轴晶铸造高温合金，以 γ'相为沉淀 强化相，密度为8. 0 g·cm － 3，使用温度在900 ℃以下，主 要应用于柴油机和部分汽油机增压涡轮． 根据《中国 高温合金手册》［6］，与 K418 合金相比，K424 合金具有 低密度和高承温能力的特性，其他多项物理力学性能 也优于 K418 合金，具有良好的综合性能． K424 合金 密度为 7. 87 g·cm － 3，使用温度小于 1000 ℃，具有较高 的高温强度和塑性，目前已应用于制作航空、航天发动 机涡轮叶片、尾喷口调节器、整铸涡轮转子、导向器等 部件． K424 应用于增压涡轮材料有利于实现增压涡 轮的轻量化，降低涡轮的转动惯量，改善响应［7］; 而较 高的使用温度( 850 ～ 950 ℃ ) 使得 K424 合金可以应用 于对温度要求更高的汽油发动机的增压涡轮． K424 合金的可铸性较差，在浇注增压涡轮时，铸件的热裂率 明显高于 K418 合金，产品成型率低． 这一问题极大地 制约着铸件产品质量提高及成本降低，并严重影响到 产品的安全使用性能． 合金成分、铸型性质、铸件结 构、浇注条件、浇注系统设计等因素都会影响热裂的产 生，但合金特性对热裂的产生影响极大并且很难通过 铸造工艺调整完全消除热裂，讨论合金特性对热裂的影 响规律，对于防止铸件热裂，获得合格铸件具有重要意义． 本文将从显微组织、合金成分、凝固规律等方面介 绍 K424 合金特性; 同时结合增压涡轮叶片热裂的具 体情况从合金特性角度分析涡轮叶片产生热裂的具体 原因． 最后，对比 K418 合金从实验和模拟两方面综合 讨论分析不同铸造合金的热裂倾向性，并针对 K424 合金，提出减少涡轮叶片热裂的建议． 1 实验 采用真空感应炉熔炼母合金，经真空感应炉重熔， 用熔模铸精密铸造法浇注增压器涡轮． 母合金成分如 表 1 所示． 表 1 实验合金主要化学成分( 质量分数) Table 1 Chemical compositions of tested alloy % 合金 Cr Mo Al Nb Ti Co W V Fe C K424 9. 09 3. 06 5. 26 0. 64 4. 44 12. 58 1. 14 0. 62 0. 120 0. 180 K418 13. 7 4. 21 6. 09 2. 12 0. 83 — — — 0. 082 0. 124 为研究 K424 合金显微组织特征及热裂特性，分 别从涡轮轴部( 1) 和裂纹处( 2) 切取试样． 轴部试样 尺寸为 10 mm × 10 mm × 10 mm，如图 1 所示． 试样经机 械抛光后采用化学侵蚀，用电子显微镜观察合金的显 微组织及热裂纹的开裂特征． 图 1 叶片产生热裂的 K424 增压涡轮 Fig． 1 Appearance and hot tearing in the blade of a K424 alloy tur￾bocharger turbine 为分析合金热裂倾向性差异的原因，将 K424 合 金与 K418 合金进行对比研究． 分别从两种合金浇注 的涡轮轴部切取 10 mm × 10 mm × 10 mm 的试样，经机 械抛光后采用化学侵蚀，观察两种合金的显微组织特 征，对比其微观组织的差异; 采用 JMatPro 热力学计算 软件中的镍基高温合金数据库进行热力学模拟计算， 分析合金中元素的偏析规律、γ'的析出温度和凝固路 径; 采用有限元模拟软件 ProCast 的热弹塑性模型，模 拟铸造过程中合金的应力分布情况． 从实验和计算两 方面分析合金热裂倾向性差异原因． 2 结果与讨论 2. 1 K424 合金显微组织实验分析 K424 合金的铸态组织由 γ 基体、γ'相、γ + γ'共 晶、MC 碳化物和少量的 M3 B2 型硼化物组成． 图 2 所 示为 K424 合金的铸态微观组织． 合金呈现典型的树 枝状结构，枝晶间形成枝晶间隙． 枝晶间区域面积较 大，分布有 γ + γ'共晶和 MC 碳化物，如图 3( a) 和( b) 所示． γ'相呈立方体状弥散分布在 γ 基体上，且 γ'相 在枝晶间和枝晶干的分布不均匀，如图 3 ( c) 和( d) 所示． 高温合金通常加入 Ti、Al、W、Co、Ta、Mo、Cr、Nb、 Zr 等合金元素，以提高合金的强度． 但在凝固过程中 由于溶质再分配，合金元素发生偏析． 通过能谱分析 · 0341 ·