第5期 朱冠妮等：镍基耐蚀合金C-276铸锭元素偏析和均匀化工艺 631 尔气体常量，为热力学温度. 28 使用Themo-Cal软件和配套的DCIRA动力 24 学软件包可以计算求得M©在C-276合金中1000~ 20 Mo 1350℃下的D=3.64X106n㎡。s,Q=239.9kJ 公 根据式(2)可知，当残余偏析指数等于0时为 理论的完全均匀化但通常情况下认为哒到0.2 时，即可达到工业标准.所以，将式(3计算出的 Fe D值和0.2代入式(2就可以计算出不同枝晶情 W 况的C-276合金在不同温度下进行均匀化处理所 0 0.2 040.6 0.8 1.0 需要的时间，计算结果如图4所示，可作为选择均匀 液相质量分数 化工艺的标准.由图可见：在一定原始枝晶尺寸的 图3C-276合金凝固过程中液相分数与元素再分配的关系曲线 Fig 3 Ekment redistribution as a function of liuid fraction during 情况下，随着均匀化温度升高，所需均匀化时间逐渐 o日ifcation ofC-276apy 缩短；原始枝晶尺寸越大，均匀化所需温度越高，时 间相对也越长， 生产的指导意义不大.目前比较常用的通过元素偏 1350 析来评价均匀化工艺合理性的方法是残余偏析指 1300 数和均匀化动力学方程，二者表达形式不一， 100um 1250 110μm 但本质基本相同可，而且都可以在己知原始偏析情 1200 120130m140m150um 况的情况下推测出达到均匀化所需要的温度和相应 的时间，从而达到指导制定均匀化工艺的目的.本 文使用的是残余偏析指数模型.如2.2节所述，在 1100S0um 60um C-276合金铸锭中，M的偏析最严重，因此以下对 70 um 1050 80 um 均匀化过程的计算只针对M元素的扩散. 90 um 10006 10 20 30 40 加热温度和保温时间是制定均匀化退火制度的 时间h 最重要的两个参数.Het指出，在具有显微偏 图4残余偏析指数模型计算得出的C一276合金均匀化动力学 析的铸态组织中，固溶体内部各合金组元的浓度沿 曲线 枝晶间的分布大多呈周期性变化。这种变化近似符 Fg 4 Calculated kinetic homogenizing curves ofC-276 ingots by the 合余弦分布，可用下式表示： resiual segrega tin param etermode] C(刘=C4AGm交xe_4D (1) 2 L E 在选择均匀化温度时，一般要低于初熔点的温 式中，C(为位置处的元素浓度，为平均浓度， 度而高于有害析出相的析出温度(1165~1360℃). △G为最高浓度或最低浓度与平均浓度之差，为 一方面温度不能过低，既要消除己有有害相，又要避 枝晶间距，D为扩散系数，为均匀化时间.为了更 免锻造时产生新的有害相，同时也不能时间过长而 清楚地说明扩散效果，只取浓度最高点和最低点，即 增加生产成本；另一方面，温度也不能太高，否则晶 -0及=L2这时式(1可以变为： 粒过于粗大，甚至熔化，也会影响后期的热加工.因 G-Gn 此通过综合考虑，本文选择1170℃和1200℃两个 -Cnx一Cnn (2) 实验温度，根据C276合金的平均枝晶间距最大部 式中，定义为残余偏析指数，Cm、Cm分别为经均 位R/2处I=117.0μ四按图4可以读出分别需要 匀化处理后的最高浓度和最低浓度，Comax Com为原 约20和15b最终选择表2所示的四种均匀化实 铸态的最高和最低浓度值（对于MO元素，即为枝晶 验制度，其中添加的两个温度下10的制度作为对 间和枝晶干的元素浓度，.D作为目标元素在某一 比实验 温度下的扩散系数可以用下式表示： 2.4均匀化实验效果 -n网母 24.1显微组织与偏析 (3) 经过四种均匀化实验后的铸锭组织、元素偏析 式中，D为扩散常数，Q为元素扩散激活能R为摩 情况和晶粒尺寸如表4所示.从表中可以看出，结第 5期 朱冠妮等:镍基耐蚀合金 C--276铸锭元素偏析和均匀化工艺 图 3 C--276合金凝固过程中液相分数与元素再分配的关系曲线 Fig.3 Elementredistributionasafunctionofliquidfractionduring solidificationofC-276 alloy 生产的指导意义不大 .目前比较常用的通过元素偏 析来评价均匀化工艺合理性的方法是残余偏析指 数 [ 11] 和均匀化动力学方程 [ 12] ,二者表达形式不一 , 但本质基本相同 [ 13] ,而且都可以在已知原始偏析情 况的情况下推测出达到均匀化所需要的温度和相应 的时间 ,从而达到指导制定均匀化工艺的目的.本 文使用的是残余偏析指数模型.如 2.2节所述, 在 C--276合金铸锭中 , Mo的偏析最严重, 因此以下对 均匀化过程的计算只针对 Mo元素的扩散. 加热温度和保温时间是制定均匀化退火制度的 最重要的两个参数 .Hillert [ 14] 指出, 在具有显微偏 析的铸态组织中 ,固溶体内部各合金组元的浓度沿 枝晶间的分布大多呈周期性变化, 这种变化近似符 合余弦分布 ,可用下式表示 : C(x)=C+ 1 2 ΔC0 cos 2πx L exp - 4π 2 L 2 Dt (1) 式中, C(x)为 x位置处的元素浓度 , C为平均浓度 , ΔC0 为最高浓度或最低浓度与平均浓度之差 , L为 枝晶间距, D为扩散系数 , t为均匀化时间.为了更 清楚地说明扩散效果 ,只取浓度最高点和最低点,即 x=0及 x=L/2,这时式(1)可以变为 : δ= Cmax -Cmin C0max -C0min =exp - 4π 2 L 2 Dt (2) 式中, δ定义为残余偏析指数 , Cmax、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(对于 Mo元素, 即为枝晶 间和枝晶干的元素浓度 ).D作为目标元素在某一 温度下的扩散系数,可以用下式表示 : D=D0 exp - Q RT (3) 式中, D0 为扩散常数 , Q为元素扩散激活能, R为摩 尔气体常量, T为热力学温度 . 使用 Thermo--Calc软件和配套的 DICTRA动力 学软件包可以计算求得 Mo在 C--276合金中 1 000 ～ 1 350 ℃下的D0 =3.64 ×10 -6 m 2 ·s -1 , Q=239.9 kJ. 根据式(2)可知 ,当残余偏析指数 δ等于 0时为 理论的完全均匀化, 但通常情况下认为 δ达到 0.2 时, 即可达到工业标准 [ 13] .所以,将式 (3)计算出的 D值和 δ=0.2代入式 (2)就可以计算出不同枝晶情 况的 C--276合金在不同温度下进行均匀化处理所 需要的时间,计算结果如图 4所示 ,可作为选择均匀 化工艺的标准 .由图可见:在一定原始枝晶尺寸的 情况下,随着均匀化温度升高 ,所需均匀化时间逐渐 缩短 ;原始枝晶尺寸越大, 均匀化所需温度越高, 时 间相对也越长 . 图 4 残余偏析指数模型计算得出的 C--276合金均匀化动力学 曲线 Fig.4 CalculatedkinetichomogenizingcurvesofC-276 ingotsbythe residualsegregationparametermodel 在选择均匀化温度时, 一般要低于初熔点的温 度而高于有害析出相的析出温度 (1165 ～ 1 360℃). 一方面温度不能过低,既要消除已有有害相 ,又要避 免锻造时产生新的有害相, 同时也不能时间过长而 增加生产成本 ;另一方面, 温度也不能太高, 否则晶 粒过于粗大,甚至熔化, 也会影响后期的热加工 .因 此通过综合考虑, 本文选择 1 170 ℃和 1 200 ℃两个 实验温度 ,根据 C--276合金的平均枝晶间距最大部 位 R/2处 L=117.0 μm,按图 4可以读出分别需要 约 20 h和 15 h.最终选择表 2所示的四种均匀化实 验制度,其中添加的两个温度下 10 h的制度作为对 比实验. 2.4 均匀化实验效果 2.4.1 显微组织与偏析 经过四种均匀化实验后的铸锭组织 、元素偏析 情况和晶粒尺寸如表 4所示.从表中可以看出, 结 · 631·