第6期 梅声勇等：GH105合金铸锭元素偏析和均匀化工艺 ·717。 再随含量变化而发生显著变化.GH105合金中Ti 残余偏析指数δ与元素的扩散系数、枝晶间距和均 质量分数为1.25%，根据文献[101的结果，可以假 匀化时间等参量有关，可以用来估计合金均匀化所 定Ti在GH105合金中的扩散系数与Ti在含Ti 需的时间.但是，此方法无法确定合金达到均匀化 244%的Ni中的扩散系数相同.因此，确定GH105 时残余偏析指数的具体值，只能事先认定一个可接 合金中Ti元素常数Do和激活能Q分别为D0= 受的值.残余偏析指数公式如下式所示： 224cm2·s1和Q=287.2kJ°mo厂1.基于确定的 4红2 Ti元素的扩散系数得出不同枝晶尺寸情况下 名-er-0 (4) GH105合金的均匀化动力学曲线。如图5所示. 式中，δ为偏析指数，Cmax、Cmin分别为经均匀化处 1500H 理后的最高浓度和最低浓度，Comax、Comin为原铸态 1450 的最高和最低浓度值，D、L和t分别为扩散系数、 1400 L=150 um 枝晶间距和均匀化时间.如上所述，D也取Ti质量 1350H L=140 um 足1300 L=1301m 分数为2.44%时的值，即为4.89×10.由式(1)可 1250 L=120μm 以得出1160℃和1190℃时Ti元素的残余偏析指 1200 J10μmL-1004m 数与枝晶间距的关系曲线如图6所示. 1150 1100 L-90m 图6表明：枝品间距越小，均匀化退火时间越 L-80μm 1050 L=70m ,L60m 长，则残余偏析指数越小：扩散退火时间增加量相 0 20 40 60 80 100 同，残余偏析指数的变化量δ与枝晶间距存在一定 时间h 的关系.从图中看出：枝晶间距约在150~250m 图5计算得出的GH105合金均匀化动力学曲线 时，δ变化幅度最大：对其他枝晶间距而言，δ尽管 Fig.5 Calculated kinetic homogeriing curves of GH15 ingots 也有所变化，但变化幅度要小于上述枝晶间距.原 图5表明：一定枝晶尺寸情况下，随着均匀化温 因是当枝晶间距较小时，在一定的均匀化时间内元 度的升高，均匀化时间逐渐缩短：一定均匀化温度 素很容易达到均匀化。再增加均匀化时间，残余偏析 下，枝晶尺寸越大，均匀化所需时间越长：一定均匀 指数的变化并不太明显：在枝晶间距较大的情况下， 化时间情况下，枝晶尺寸越大，所需要的均匀化温度 虽然经过一定时间的均匀化退火，但扩散距离较长， 越高.当枝晶间距为1404m时，合金在1160℃完 合金各部位偏析减轻程度相对于枝晶间距约在150 全均匀化需要84h:而温度提高到1190℃完全均 ~250m部位要小得多，所以其残余偏析指数变化 匀化则需52h. 也不太明显.此外，残余偏析指数与元素本身有密 根据扩散第2定律，扩散距离与扩散系数及时 切的关系.一般地，残余偏析指数δ小于0.2时可 间满足下述关系： 认为合金基本达到均匀.图6显示，当枝晶间距为 x=CDt (2) 140m时合金在1190℃经20h基本达到均匀，而 式中，C为常数x为扩散距离，D为扩散常数t为 在1160℃经40h基本达到均匀，这与实验结果中 扩散时间.设D1、t1为1160℃的扩散常数和扩散 GH105合金经1160C退火25h和1190G退火40h 时间，D2、t2为1190℃时的扩散常数和扩散时间. 的均匀化处理工艺有一定偏差说明利用残余偏析 合金在不同温度下均匀化效果相同时，可以认为： 指数模型表征均匀化过程还需进一步完善. x=CD1t1=CD2t2,Dit=D2t2 (3) 3结论 将GH105合金实际均匀化数据代入式(3)可 得，在枝晶间距为140m时，1160℃G退火25h相当 (1)均匀化前铸锭具有明显的枝晶组织偏析 于1190℃退火15.5h.由此计算可以得出，上述 最严重的元素是Ti,其次是Mo,在枝晶间富集；A1、 GH105合金两段式扩散退火工艺(1160℃/25h+ Cr在枝晶干富集：析出相有Y相、MC型和MsC6 1190℃/40h)相当于1190℃退火55.5h,即合金在 型碳化物. 1190退火55.5h达到均匀化，与理论计算结果 (2)均匀化后铸锭枝晶组织基本消除，Y相在 52h基本符合，说明均匀化扩散动力学方程在预测 过程中重新析出，MC型碳化物尖角变钝，M3C6型 和评价GH105合金均匀化工艺上是可行的. 碳化物并未完全溶解，Ti、Mo偏析程度大大改善， (2)残余偏析指数对均匀化工艺的理论评价. 其他元素偏析情况则已消除再随含量变化而发生显著变化.GH105 合金中 Ti 质量分数为 1.25 %, 根据文献[ 10] 的结果 , 可以假 定Ti 在 GH105 合金中的扩散系数与 Ti 在含 Ti 2.44 %的 Ni 中的扩散系数相同.因此 ,确定 GH105 合金中 Ti 元素常数 D0 和激活能 Q 分别为D0 = 2.24 cm 2·s -1和 Q =287.2 kJ·mol -1 .基于确定的 Ti元素的扩散系数, 得出不同枝晶尺寸情况下 GH105 合金的均匀化动力学曲线, 如图 5 所示. 图5 计算得出的 GH105 合金均匀化动力学曲线 Fig.5 Calculat ed kineti c homogenizing curves of GH105 ingots 图 5 表明:一定枝晶尺寸情况下,随着均匀化温 度的升高, 均匀化时间逐渐缩短 ;一定均匀化温度 下,枝晶尺寸越大, 均匀化所需时间越长;一定均匀 化时间情况下, 枝晶尺寸越大 ,所需要的均匀化温度 越高.当枝晶间距为 140 μm 时 ,合金在 1 160 ℃完 全均匀化需要 84 h ;而温度提高到 1 190 ℃, 完全均 匀化则需 52 h . 根据扩散第 2 定律, 扩散距离与扩散系数及时 间满足下述关系 : x =C Dt (2) 式中 , C 为常数, x 为扩散距离, D 为扩散常数, t 为 扩散时间.设 D1 、t 1 为 1 160 ℃的扩散常数和扩散 时间 , D2 、t 2 为 1 190 ℃时的扩散常数和扩散时间 . 合金在不同温度下均匀化效果相同时, 可以认为: x =C D1 t 1 =C D2 t 2 ,即 D1 t 1 =D2 t 2 (3) 将GH105 合金实际均匀化数据代入式(3)可 得,在枝晶间距为 140 μm 时, 1 160 ℃退火 25 h 相当 于1 190 ℃退火 15.5 h .由此计算可以得出, 上述 GH105 合金两段式扩散退火工艺(1 160 ℃/ 25 h + 1 190 ℃/40 h)相当于 1 190 ℃退火 55.5h ,即合金在 1190 ℃退火 55.5 h 达到均匀化 , 与理论计算结果 52 h基本符合, 说明均匀化扩散动力学方程在预测 和评价GH105 合金均匀化工艺上是可行的. (2)残余偏析指数对均匀化工艺的理论评价 . 残余偏析指数 δ与元素的扩散系数、枝晶间距和均 匀化时间等参量有关 , 可以用来估计合金均匀化所 需的时间 .但是 , 此方法无法确定合金达到均匀化 时残余偏析指数的具体值 ,只能事先认定一个可接 受的值 .残余偏析指数公式如下式所示 : δ= C max -C min C0max -C0min =exp - 4π 2 L 2 Dt (4) 式中 , δ为偏析指数 , C max 、Cmin分别为经均匀化处 理后的最高浓度和最低浓度, C0max 、C0min为原铸态 的最高和最低浓度值 , D 、L 和 t 分别为扩散系数、 枝晶间距和均匀化时间 .如上所述, D 也取 Ti 质量 分数为 2.44 %时的值 ,即为 4.89 ×10 9 .由式(1)可 以得出 1 160 ℃和 1 190 ℃时 Ti 元素的残余偏析指 数与枝晶间距的关系曲线, 如图 6 所示. 图 6 表明:枝晶间距越小, 均匀化退火时间越 长 ,则残余偏析指数越小 ;扩散退火时间增加量相 同 ,残余偏析指数的变化量 δ与枝晶间距存在一定 的关系.从图中看出:枝晶间距约在 150 ～ 250 μm 时 , δ变化幅度最大 ;对其他枝晶间距而言, δ尽管 也有所变化, 但变化幅度要小于上述枝晶间距 .原 因是当枝晶间距较小时 , 在一定的均匀化时间内元 素很容易达到均匀化, 再增加均匀化时间 ,残余偏析 指数的变化并不太明显 ;在枝晶间距较大的情况下, 虽然经过一定时间的均匀化退火 ,但扩散距离较长, 合金各部位偏析减轻程度相对于枝晶间距约在 150 ～ 250 μm 部位要小得多,所以其残余偏析指数变化 也不太明显.此外 , 残余偏析指数与元素本身有密 切的关系.一般地, 残余偏析指数 δ小于 0.2 时可 认为合金基本达到均匀 .图 6 显示 ,当枝晶间距为 140μm 时合金在1 190 ℃经 20 h 基本达到均匀, 而 在 1 160 ℃经 40 h 基本达到均匀, 这与实验结果中 GH105 合金经1 160 ℃退火 25 h 和1 190 ℃退火40h 的均匀化处理工艺有一定偏差, 说明利用残余偏析 指数模型表征均匀化过程还需进一步完善 . 3 结论 (1)均匀化前铸锭具有明显的枝晶组织, 偏析 最严重的元素是 Ti ,其次是 Mo , 在枝晶间富集 ;Al、 Cr 在枝晶干富集;析出相有 γ′相 、MC 型和 M 23C6 型碳化物. (2)均匀化后铸锭枝晶组织基本消除, γ′相在 过程中重新析出, MC 型碳化物尖角变钝 ,M 23C6 型 碳化物并未完全溶解, Ti 、Mo 偏析程度大大改善, 其他元素偏析情况则已消除 . 第 6 期 梅声勇等:GH105 合金铸锭元素偏析和均匀化工艺 · 717 ·