第6期 江河等：700℃超超临界锅炉材料617B合金铸态组织及均匀化工艺 ·797· 慢，液体温度大致均匀，枝晶形貌并不明显 28 6 表2617B合金枝品间距 Table 2 Dendritic distance at different positions μm 2 Cr 枝径间距 中心 1/2半径 边缘 16 一次枝径间距，A1 200.5 209.4 191.0 4 Co 12 二次枝品间距，A2 128.8 78.1 49.6 1 Mo 6 2.1.2元素偏析分析 表3为合金不同部位的偏析系数k,该系数定 20 40 60 80 100 液相残留质量分数/% 义为枝晶间元素含量与枝晶干元素含量之比.由表 3可知，几乎所有元素均存在不同程度的显微偏析， 图2617B合金凝固过程中元素再分配规律 Fig.2 Calculated curves of element redistribution in 617B alloy dur- 其中T和Mo元素偏析较明显，且发生正偏析.原 ing solidification 因是这两种元素的原子半径较大，凝固时被排斥到 枝晶间.不同位置的偏析程度不同，心部和1/2半 式中，D。为与温度无关的常数，Q为扩散激活能，R 径处的偏析较为严重. 为气体常数，T为均匀化热力学温度.由于617B合 金中T和Mo元素的偏析现象较为明显，在均匀化 表3合金电渣锭元素偏析系数 工艺的制定过程中着重对这两种元素进行分析.利 Table 3 Segregation coefficients of different elements in the ingot 用DICTRA动力学软件计算得617B合金中Mo和 取样位置A! Ti Cr Co Ni Mo T元素的最小扩散常数分别为3.8019×10-6m2s-和 中心0.992.54 1.050.900.95 1.36 3.4313×10-5m2·s-1,最大扩散激活能分别为 1/2半径0.95 1.771.02 0.94 0.97 1.26 2.3997×103J和2.862×10°J.最小扩散常数和最 边缘1.031.591.010.990.991.13 大扩散激活能为均匀化制度的制定提供数值依据. 平均值0.99 1.971.03 0.94 0.971.25 2.2铸态组织析出相 为判断析出相的种类、了解其回溶温度，利用 图2为利用Thermo--Calc软件中Schell-Gulliv- er模型计算得到的617B合金非平衡凝固过程中元 Thermo--Calc软件计算得到对应表1成分的617B 素再分配规律.可以看出随着液相比例的降低，合 合金热力学平衡相图，如图3所示.可以看出合金 金中各元素偏离其平衡成分.617B合金中，Mo、Cr 的初熔点为1300℃，主要的析出相为y'、M23C6、 和T元素在液相中的质量分数随着凝固过程的进 M,C和μ相.平衡相图为热力学研究结果，实际析 行而升高.凝固开始时Mo在液相中的质量分数为 出过程还需考虑动力学因素，凝固过程较快，因此平 9%,当液相残留质量分数为4%时，Mo的质量分数 衡相图中的一些相凝固过程中并不一定得到.已有 研究P-10表明617合金在长期高温时效过程中无 达到19%.Cr和Ti的偏析情况小于Mo,但也发生 了明显的正偏析.C。元素在液相中的质量分数为 有害相μ、σ和x相析出.617合金只有在700~750 12.5%,凝固初期随着凝固过程的进行有所降低，之 ℃长期时效过程中有体积分数为4%的少量y析 后缓慢上升，在凝固态无明显的偏析行为.由于软 出m,由于y相为长期时效相，故不应在电渣锭中 出现. 件的计算结果为热力学平衡状态，考虑到实际凝固 铸态组织在凝固过程中除形成枝品，还会有较 过程中动力学因素，元素偏析状况与实际有差别，但 多的析出相，617B属于固溶强化型镍基高温合金， 趋势相同，Ti和Mo元素的偏析都较为明显. 由于镍基高温合金具有很高的合金化程度，在 其强化作用是靠强化元素Mo等固溶于Y基体，所 电渣锭凝固过程中存在明显的溶质原子在固液界面 以合金中有较多偏聚于枝晶间和晶粒上的碳化物和 再分配的现象.凝固过程的固液界面始终处于局部 夹杂.对电渣锭进行扫描电镜观察，图4~图6为电 渣锭不同部位的析出相分布和形态特征，表4为析 平衡状态，界面两侧的浓度应符合相应温度相图所 出相的能谱分析结果.图中深色区域为枝晶干，浅 给出的平衡浓度，而固态界面的推移由其前沿的溶 质原子扩散所控制.元素扩散系数随温度变化规律为 色区域为枝晶间，电渣锭心部枝晶间存在连续的析 出相，边缘处某些枝晶间区域存在规律分布的析出相. (1) 617B合金中析出相的成分比较复杂，存在多种第 6 期 江 河等: 700 ℃超超临界锅炉材料 617B 合金铸态组织及均匀化工艺 慢，液体温度大致均匀，枝晶形貌并不明显． 表 2 617B 合金枝晶间距 Table 2 Dendritic distance at different positions μm 枝径间距 中心 1 /2 半径 边缘 一次枝径间距，λ1 200. 5 209. 4 191. 0 二次枝晶间距，λ2 128. 8 78. 1 49. 6 2. 1. 2 元素偏析分析 表 3 为合金不同部位的偏析系数 k，该系数定 义为枝晶间元素含量与枝晶干元素含量之比． 由表 3 可知，几乎所有元素均存在不同程度的显微偏析， 其中 Ti 和 Mo 元素偏析较明显，且发生正偏析． 原 因是这两种元素的原子半径较大，凝固时被排斥到 枝晶间． 不同位置的偏析程度不同，心部和 1 /2 半 径处的偏析较为严重． 表 3 合金电渣锭元素偏析系数 Table 3 Segregation coefficients of different elements in the ingot 取样位置 Al Ti Cr Co Ni Mo 中心 0. 99 2. 54 1. 05 0. 90 0. 95 1. 36 1 /2 半径 0. 95 1. 77 1. 02 0. 94 0. 97 1. 26 边缘 1. 03 1. 59 1. 01 0. 99 0. 99 1. 13 平均值 0. 99 1. 97 1. 03 0. 94 0. 97 1. 25 图 2 为利用 Thermo--Calc 软件中 Schell--Gulliv￾er 模型计算得到的 617B 合金非平衡凝固过程中元 素再分配规律． 可以看出随着液相比例的降低，合 金中各元素偏离其平衡成分． 617B 合金中，Mo、Cr 和 Ti 元素在液相中的质量分数随着凝固过程的进 行而升高． 凝固开始时 Mo 在液相中的质量分数为 9% ，当液相残留质量分数为 4% 时，Mo 的质量分数 达到 19% ． Cr 和 Ti 的偏析情况小于 Mo，但也发生 了明显的正偏析． Co 元素在液相中的质量分数为 12. 5% ，凝固初期随着凝固过程的进行有所降低，之 后缓慢上升，在凝固态无明显的偏析行为． 由于软 件的计算结果为热力学平衡状态，考虑到实际凝固 过程中动力学因素，元素偏析状况与实际有差别，但 趋势相同，Ti 和 Mo 元素的偏析都较为明显． 由于镍基高温合金具有很高的合金化程度，在 电渣锭凝固过程中存在明显的溶质原子在固液界面 再分配的现象． 凝固过程的固液界面始终处于局部 平衡状态，界面两侧的浓度应符合相应温度相图所 给出的平衡浓度，而固态界面的推移由其前沿的溶 质原子扩散所控制． 元素扩散系数随温度变化规律为 D = D0 ( exp － Q ) ＲT ． ( 1) 图 2 617B 合金凝固过程中元素再分配规律 Fig． 2 Calculated curves of element redistribution in 617B alloy dur￾ing solidification 式中，D0 为与温度无关的常数，Q 为扩散激活能，Ｒ 为气体常数，T 为均匀化热力学温度． 由于 617B 合 金中 Ti 和 Mo 元素的偏析现象较为明显，在均匀化 工艺的制定过程中着重对这两种元素进行分析． 利 用 DICTＲA 动力学软件计算得 617B 合金中 Mo 和 Ti 元素的最小扩散常数分别为3. 8019 ×10 －6 m2 ·s －1 和 3. 4313 × 10 － 5 m2 ·s － 1 ，最 大 扩 散 激 活 能 分 别 为 2. 3997 × 105 J 和 2. 862 × 105 J． 最小扩散常数和最 大扩散激活能为均匀化制度的制定提供数值依据． 2. 2 铸态组织析出相 为判断析出相的种类、了解其回溶温度，利用 Thermo--Calc 软件计算得到对应表 1 成分的 617B 合金热力学平衡相图，如图 3 所示． 可以看出合金 的初熔点为 1300 ℃，主要的析出相 为 γ'、M23 C6、 M6C和 μ 相． 平衡相图为热力学研究结果，实际析 出过程还需考虑动力学因素，凝固过程较快，因此平 衡相图中的一些相凝固过程中并不一定得到． 已有 研究［9 － 10］表明 617 合金在长期高温时效过程中无 有害相 μ、σ 和 χ 相析出． 617 合金只有在 700 ～ 750 ℃长期时效过程中有体积分数为 4% 的少量 γ'析 出［11］，由于 γ'相为长期时效相，故不应在电渣锭中 出现． 铸态组织在凝固过程中除形成枝晶，还会有较 多的析出相，617B 属于固溶强化型镍基高温合金， 其强化作用是靠强化元素 Mo 等固溶于 γ 基体，所 以合金中有较多偏聚于枝晶间和晶粒上的碳化物和 夹杂． 对电渣锭进行扫描电镜观察，图 4 ～ 图 6 为电 渣锭不同部位的析出相分布和形态特征，表 4 为析 出相的能谱分析结果． 图中深色区域为枝晶干，浅 色区域为枝晶间，电渣锭心部枝晶间存在连续的析 出相，边缘处某些枝晶间区域存在规律分布的析出相． 617B 合金中析出相的成分比较复杂，存在多种 ·797·