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GH4169鎳基高溫合金（化學成分）在連續冷卻條件下凝固過程微觀偏析及糊狀區穩定性
發布人：上海艾荔艾金屬材料有限公司www.jshcn.cn
更新時間：2014-08-14
GH4169合金具有優良的加工性和高溫綜合性能，大量用于航空、航天、石油、化工及能源等領域，是目前應用最廣泛的鎳基高溫合金。
GH4169合金具有優良的加工性和高溫綜合性能，大量用于航空、航天、石油、化工及能源等領域，是目前應用最廣泛的鎳基高溫合金。近年來，軍工及民用工業對熱端部件服役效率要求的不斷提高，急需研發大尺寸、高整體性及可靠性的GH4169合金制件，使得發展質量穩定的大尺寸GH4169合金鋼錠成為大勢所趨。但是，制約GH4169合金錠型擴大的“瓶頸”及影響大尺寸高溫合金鋼錠質量穩定性的關鍵是鋼錠冶煉時易產生難以消除的宏觀偏析—黑斑（Freckles）缺陷。黑斑缺陷的特性在于無法通過后續均勻化工序消除，存在黑斑的鋼錠必須報廢。因此，如何避免大尺寸GH4169合金及其他合金鋼錠冶煉過程的黑斑缺陷是目前國際及國內高溫合金界亟待解決的難題。
科研人員通過真空感應條件下的凝固重熔試驗，結合掃描電鏡及電子探針微區成分分析，系統研究了GH4169合金在連續冷卻條件下凝固前沿糊狀區的元素偏析規律及相變規律，并在YANG等提出的Rayleigh判據的基礎上，結合試驗條件，提出了連續冷卻條件下反映GH4169合金凝固前沿糊狀區穩定性的局部Rayleigh判據，旨在為進一步分析GH4169合金鋼錠凝固過程的宏觀偏析形成機理奠定基礎。
試驗材料為經真空感應冶煉、2000t快鍛開坯并經多道次連軋的直徑18mm的棒材。化學成分如下（質量分數，%）：Cr17.68；Al0.58；Ti0.94；Mo2.89；Nb5.46；Fe19.93；C0.021；B0.0056；Ni余量。
原始棒材經粗車后，切割成d17mm×15mm的圓柱體，在真空多功能碳管爐內進行不同冷卻速度下的凝固重熔試驗。即樣品放入尺寸相當的坩堝后在爐中加熱至1400℃保溫15min后以設定的冷卻速度冷至凝固溫度區間設定的溫度(tq)迅速取出，淬入鹽水中。設定的冷卻速度有5種：0.01、0.02、0.05、0.1和0.2℃/s。淬水溫度(tq)根據GH4169合金的凝固溫度范圍(1260～1336℃)確定，每個冷卻速度下選取7個溫度點：1340、1330、1320、1310、1300、1290?和1280℃。
凝固重熔后的樣品沿縱截面切開并電解腐蝕后在Leo?80掃描電鏡及JEOL?JXA?8100X型電子探針下進行凝固前沿元素偏析規律分析，樣品中殘余液相及固相的體積分數用Imagetool軟件定量確定。研究結果表明：
（1）冷卻速度低于0.05℃/s時，液相中的Nb含量隨出爐溫度的下降很快升高到一個較高的值，在較低溫度出爐冷卻時，Nb含量迅速升高到14%以上，可達合金名義成分中Nb元素含量的3倍。提高冷卻速度至0.1℃/s，在高溫出爐時Nb含量升高很慢，當出爐溫度低于1310℃時，?Nb含量迅速升高到10%以上。進一步提高冷卻速度，殘余液相中Nb元素變化不大，與合金的名義成分接近。
????（2）冷卻速度較高時(大于0.05℃/s)，GH4169合金凝固過程凝固前沿糊狀區的穩定性較好，Rv值相對較低；而當冷卻速度較低時，即低于0.02℃/s時，Rv值比較高；而在1330℃附近出爐冷卻時，存在一個峰值區，最大峰值接近7.5×10?13。說明當凝固過程冷卻速度較低時，GH4169合金由于元素的微觀偏析使得凝固前沿糊狀區的穩定性降低，可能會導致由微觀偏析向宏觀偏析的轉變，該規律與工程實際比較吻合。
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