赵展等：增压涡轮用K424高温合金组织特征及热裂倾向性 ·1433· 100m 200um d 20μm 10μm 图5K424合金增压涡轮开裂情况.(a)裂纹断口：(b)光学显微镜下裂纹组织：()电子显微镜下裂纹组织：(d)微裂纹显微组织 Fig.5 Hot tearing in the turbocharger turbine wheel of K424 superalloy:(a)typical fracture surfaces of cracks in the turbine blade:(b)optical mi- crograph;(c)SEM image:(d)morphology of a microcrack 裂纹的确是沿着共晶组织产生并扩展.从组织角度分 当提高1和T元素的含量比：二是注意控制凝固过 析，共晶组织是造成涡轮叶片热裂的主要原因 程，选择合适的凝固参数，减轻合金的凝固偏析 对于铸件的热裂机理的讨论，目前主要有强度理 2.3合金热裂倾向性对比研究 论、液膜理论、形成功理论、凝固收缩补偿理论、晶间搭 为研究合金的热裂倾向的影响因素，将K424合 桥理论等几种不同的理论.虽然这几种理论在解释热 金与热裂倾向性较小的K418合金进行对比，从组织 裂产生的细节上有所不同，但其实际的力学本质是一 特征、凝固特性等方面分析K424合金热裂倾向性较 致的，即在有效结晶温度范围内，当铸件中薄弱环节 大的原因.图6所示为K424及K418微观组织形貌. (如热节中的脆性区或液膜等)的收缩应力或者塑性 两种合金组织特征差别主要在于y+y共晶的分布、 变形超过某一临界值时就会导致热裂的产生日.而共 尺寸与数量.K424合金中共晶尺寸大，分布范围广， 晶作为铸件的薄弱环节，被认为将显著影响合金热裂 数量也远远高于K418中共晶组织：K424共晶组织周 倾向性.当枝晶间Y+Y共晶尺寸极大时，意味着凝固 围的y形貌发生明显变化，并且共晶周围与基体存在 末期残余液相的存在导致相邻固态枝晶的接触方式为 明显的“界线”（图3(d)). 点接触，并未实现真正意义上的枝晶搭接，因此难以建 共晶组织的尺寸、分布和数量均会对枝晶间结合 立强度，抵抗外力的能力较低，热裂倾向也较大：另一 力造成影响，从而影响凝固末期合金抵抗铸造应力的 方面，在一定的区域内，Y+Y共晶含量越多，意味凝固 能力.从组织特征角度考虑，K424合金热裂倾向性较 末期形成的固相搭接越不充分，热裂倾向性也就越高. K418高的原因主要是合金中分布有大量、大尺寸的共 有报道2指出，Al、T等正偏析元素含量提高， 晶组织.K424合金中A1和Ti含量上升且A1/Ti比减 将使得枝晶间大量析出共晶组织，导致铸件出现热裂： 小，凝固后期，K424合金中元素偏析更加严重，共晶更 同时AI/Ti也将显著影响共晶组织的数量，Al/T越 易形成. 小，越易形成共晶组织.共晶的形成不仅与合金元素 共晶的尺寸及数量一方面与合金元素的组成及含 有关，也与凝固速率有关.凝固速率增大，局部凝固时 量有关，一方面也与合金凝固特性密切相关，为研究合 间缩短，枝晶组织细化，共晶组织尺寸也随之减小：但 金凝固特性对共晶的影响，采用JMatPro热力学计算 冷却速度过大将抑制溶质元素的扩散，加剧了残余液 软件的Solidification中Phases and Properties模块分别 相的偏析，从而使得共晶组织的数量大幅增加.因而 计算K424及K418合金的凝固规律.凝固起始点为 控制铸态组织中共晶的数量主要从以下两个方面入 1600℃，步长为1℃，当液相分数达到0.02%时终止计 手：一是合理的调整合金成分，控制共晶形成元素，适 算.计算结果如图7所示赵 展等: 增压涡轮用 K424 高温合金组织特征及热裂倾向性 图 5 K424 合金增压涡轮开裂情况 . ( a) 裂纹断口; ( b) 光学显微镜下裂纹组织; ( c) 电子显微镜下裂纹组织; ( d) 微裂纹显微组织 Fig． 5 Hot tearing in the turbocharger turbine wheel of K424 superalloy: ( a) typical fracture surfaces of cracks in the turbine blade; ( b) optical mi￾crograph; ( c) SEM image; ( d) morphology of a microcrack 裂纹的确是沿着共晶组织产生并扩展． 从组织角度分 析，共晶组织是造成涡轮叶片热裂的主要原因． 对于铸件的热裂机理的讨论，目前主要有强度理 论、液膜理论、形成功理论、凝固收缩补偿理论、晶间搭 桥理论等几种不同的理论． 虽然这几种理论在解释热 裂产生的细节上有所不同，但其实际的力学本质是一 致的，即在有效结晶温度范围内，当铸件中薄弱环节 ( 如热节中的脆性区或液膜等) 的收缩应力或者塑性 变形超过某一临界值时就会导致热裂的产生［5］． 而共 晶作为铸件的薄弱环节，被认为将显著影响合金热裂 倾向性． 当枝晶间 γ + γ'共晶尺寸极大时，意味着凝固 末期残余液相的存在导致相邻固态枝晶的接触方式为 点接触，并未实现真正意义上的枝晶搭接，因此难以建 立强度，抵抗外力的能力较低，热裂倾向也较大; 另一 方面，在一定的区域内，γ + γ'共晶含量越多，意味凝固 末期形成的固相搭接越不充分，热裂倾向性也就越高． 有报道［12--16］指出，Al、Ti 等正偏析元素含量提高， 将使得枝晶间大量析出共晶组织，导致铸件出现热裂; 同时 Al / Ti 也将显著影响共晶组织的数量，Al / Ti 越 小，越易形成共晶组织． 共晶的形成不仅与合金元素 有关，也与凝固速率有关． 凝固速率增大，局部凝固时 间缩短，枝晶组织细化，共晶组织尺寸也随之减小; 但 冷却速度过大将抑制溶质元素的扩散，加剧了残余液 相的偏析，从而使得共晶组织的数量大幅增加． 因而 控制铸态组织中共晶的数量主要从以下两个方面入 手: 一是合理的调整合金成分，控制共晶形成元素，适 当提高 Al 和 Ti 元素的含量比; 二是注意控制凝固过 程，选择合适的凝固参数，减轻合金的凝固偏析． 2. 3 合金热裂倾向性对比研究 为研究合金的热裂倾向的影响因素，将 K424 合 金与热裂倾向性较小的 K418 合金进行对比，从组织 特征、凝固特性等方面分析 K424 合金热裂倾向性较 大的原因． 图 6 所示为 K424 及 K418 微观组织形貌． 两种合金组织特征差别主要在于 γ + γ'共晶的分布、 尺寸与数量． K424 合金中共晶尺寸大，分布范围广， 数量也远远高于 K418 中共晶组织; K424 共晶组织周 围的 γ'形貌发生明显变化，并且共晶周围与基体存在 明显的“界线”( 图 3( d) ) ． 共晶组织的尺寸、分布和数量均会对枝晶间结合 力造成影响，从而影响凝固末期合金抵抗铸造应力的 能力． 从组织特征角度考虑，K424 合金热裂倾向性较 K418 高的原因主要是合金中分布有大量、大尺寸的共 晶组织． K424 合金中 Al 和 Ti 含量上升且 Al / Ti 比减 小，凝固后期，K424 合金中元素偏析更加严重，共晶更 易形成． 共晶的尺寸及数量一方面与合金元素的组成及含 量有关，一方面也与合金凝固特性密切相关，为研究合 金凝固特性对共晶的影响，采用 JMatPro 热力学计算 软件的 Solidification 中 Phases and Properties 模块分别 计算 K424 及 K418 合金的凝固规律． 凝固起始点为 1600 ℃，步长为 1 ℃，当液相分数达到 0. 02% 时终止计 算． 计算结果如图 7 所示． · 3341 ·