K418合金显微组织及其增压器涡轮叶片热裂的研究-石照夏

第41卷第11期稀有金属材料与工程Vol.41,No.112012年11月RAREMETALMATERIALSANDENGINEERINGNovember2012收稿日期：2011-11-06作者简介：石照夏，女，1985年生，博士生，北京科技大学高温合金及应用研究室，北京100083，电话：[phone]，E-mail:[e-mail]418合金显微组织及其增压器涡轮叶片热裂的研究石照夏，董建新，张麦仓(北京科技大学，北京100083)摘要：针对K418合金增压器涡轮叶片的热裂问题进行了研究。采用光学显微镜和扫描电镜分析了Al、Ti含量对K418合金显微组织的影响。利用Thermo-Calc热力学软件计算了K418合金中可能析出的平衡相，并分析了Al、Ti含量变化对平衡相的影响。结果表明：Al、Ti含量增加后，K418合金的显微组织发生了明显变化，γ′的尺寸增大且形状多样化，(γ+γ′)共晶增多，导致裂纹优先产生和扩展的部位增多；热裂为枝晶组织断裂，热裂纹在枝晶间产生和扩展；Al、Ti含量的增加均提高了γ′的析出温度和析出量，Al的影响尤为明显；Al、Ti含量增加后，均扩大了合金的有效结晶温度范围，导致涡轮叶片产生热裂。关键词：K418合金；显微组织；增压器涡轮；热裂中图法分类号：TG132.3+2文献标识码：A文章编号：1002-185X(2012)11-1935-05汽车发动机采用涡轮增压技术，可使发动机在工作效率不变的情况下增加输出功率，且大幅度降低燃料消耗率和废气排放率，带来了显著的经济和社会效益[1]。目前使用的增压器涡轮工作温度达550~850℃，转速为(2.5~10)×104r/min，工作寿命在几千小时至几万小时，因此要求增压器涡轮材料必须具有较好的高温力学性能和长期组织稳定性以及良好的铸造性能。K418合金是一种镍基铸造高温合金，具有良好的综合性能、长期组织稳定性和铸造工艺性能，可用于制作柴油机和汽油机增压器涡轮，也适于制作在900℃以下工作的燃气轮机涡轮转子叶片、导向叶片和整铸涡轮等高温部件。然而增压器涡轮结构复杂，叶片截面变化大，叶梢最薄处甚至仅为0.3mm[2]，因此采用K418合金浇注增压器涡轮时，叶片极易出现热裂。作为高温合金铸件，热裂是常见的铸造缺陷之一，导致铸造涡轮叶片毛坯报废率极高，这一问题的存在制约着铸件产品质量的提高，成为人们长期以来致力研究的热点[3,4]。铸造高温合金应用领域日益增多及铸件向轻、薄、形状复杂的方向发展，对合金的抗热裂性能提出了更高的要求。合金成分、铸型性质、浇注条件、铸件结构和浇注系统设计等因素都会影响热裂的产生，但可铸性差的合金很难通过铸造工艺调整完全消除热裂，而合金成分的微调可有效避免热裂产生[5,6]。因此，探讨合金元素对热裂的影响规律，对于防止铸件热裂产生，获得合格铸件具有重要意义。本研究通过分析Al、Ti含量增加后对K418合金显微组织和析出相的影响，研究了合金成分对涡轮叶片热裂的影响，对该合金用于增压器涡轮时叶片热裂的预测和控制具有重要意义。1实验采用真空感应炉熔炼后浇注K418母合金，经真空感应炉重熔，用熔模精密铸造法浇注增压器涡轮。将涡轮叶片不产生和产生热裂的两个K418合金试样分别记为1#和2#，其成分如表1所示。K418合金增压器涡轮的外形如图1a所示，图1b中箭头所指处为叶片热裂取样部位。为了探讨K418合金涡轮叶片产生热裂的原因，采用金相显微镜和扫描电镜对比分析了涡轮叶片有/无热裂的K418母合金的显微组织特征，并对叶片热裂纹和断口作显微分析，以确定裂纹产生和扩展路径及开裂特征。为更深入了解母合金成分变化对涡轮叶片产生热裂的影响，采用Thermo-Calc相平衡计算和热力学评估体系与相应的Ni基数据库进行热力学模拟计算，分析了K418合金中可能析出的平衡相及Al、Ti含量变化对γ′相析出规律及合金凝固温度范围的影响。从实验和理论计算两方面对K418合金涡轮叶片·1936·稀有金属材料与工程第41卷表1K418合金的化学成分Table1ChemicalcompositionsofK418alloy(ω/%)AlloyCrMoAlNbTiZrFeCNiTypical11.5~13.53.8~4.85.5~6.41.8~2.50.5~1.00.06~0.15≤10.08~0.161#13.294.125.862.200.800.100.200.122#13.364.656.122.280.860.120.100.11Bal.图1K418合金增压器涡轮外形和叶片热裂Fig.1Appearance(a)andhottearingintheblade(b)ofaK418alloyturbochargerturbine的热裂行为进行研究。2结果与讨论2.1K418合金的显微组织特征从表1可以看出，2#较1#K418合金Al、Ti含量均有所增加，含量接近标准成分上限。Al、Ti含量的增加可使高温合金的γ′形成因子增加，通过增加合金中的γ′含量从而有效提高高温合金的耐温能力，(γ+γ′)共晶的含量也会随γ′形成因子的提高而增加[7]。据文献报道，Al、Ti含量的微量增加会导致高温合金铸件产生热裂[8,9]，因此本研究着重分析了Al、Ti含量增加对K418合金涡轮叶片产生热裂的影响。图2是1#K418合金的显微组织。由图2a可以看出，K418合金呈典型的树枝状结构，枝晶之间形成枝晶间隙。图2b为扫描电镜背散射电子像，可以看出合金的组织由γ固溶体基体、γ′析出相及分布在枝晶间的(γ+γ′)共晶和碳化物组成。图2c中A处能谱结果表明，(γ+γ′)共晶的成分（at/%）为：Al16.59、Ti2.26、Nb2.38、Ni72.09、Zr0.63、Cr5.05、Mo1.00。在K418合金的组织中，由于非平衡凝固而出现的(γ+γ′)共晶组织都存在于最后凝固的枝晶间附近，多为花瓣状和平板状。B、C处碳化物的成分（at/%）为：Al2.95、Ti11.42、Nb45.24、Ni17.73、Zr3.78、Cr6.25、Mo12.64，碳化物中含有大量Nb和Ti，由此可确定为MC型碳化物，MC相呈不规则块状及长条状分布于枝晶间。如图2d所示，合金的主要强化相γ′相弥散分布于基体上，其形貌大多数呈方形，只有少量呈不规则形状。图3是2#K418合金的显微组织。由图3a可以看出，2#K418合金枝晶间隙的析出相较1#K418合金明显增多。由图3b和图3c可以看出，2#K418合金枝晶间有大量连续分布的大块状(γ+γ′)共晶，γ′相尺寸图21#K418合金的显微组织Fig.2Microstructuresof1#K418alloy:(a)opticalmicrograph,(b)SEMimage,(c)morphologyof(γ+γ′)eutecticandMCcarbide,and(d)morphologyofγ′图32#K418合金的显微组织Fig.3Microstructuresof2#K418alloy:(a)opticalmicrograph,(b)SEMimage,(c)morphologyof(γ+γ′)eutecticandMCcarbide,and(d)morphologyofγ′ababcd200μm15μm5μm600nmabcd200μm15μm5μm600nm第11期石照夏等：K418合金显微组织及其增压器涡轮叶片热裂的研究·1937·较1#K418合金明显增大，且呈块状和十字花形及其它不规则形状杂乱地分布在γ基体上。由以上分析可知，随着Al和Ti含量的升高，合金的显微组织发生了明显的变化，即γ′相的尺寸明显增大，形状多样化，同时Al、Ti含量增加后促进了枝晶间(γ+γ′)共晶的形成。合金中出现(γ+γ′)共晶组织会导致合金塑性急剧下降，因此大块状的共晶组织前沿成为薄弱环节，导致裂纹优先萌生和扩展的部位增多[10]。2.2涡轮叶片裂纹分析由图1b可知，热裂纹出现在最薄的叶梢处。图4是K418合金涡轮叶片的热裂纹特征。由图4a可以看出，热裂纹在枝晶间产生且不连续，沿枝晶间呈跳跃式扩展。同时观察到在大裂纹附近有一些微小的裂纹，微小裂纹也有沿枝晶间进一步扩展的趋势。图4b为采用扫描电镜观察到的裂纹断口形貌。可以看出枝晶外表面呈光滑的“土豆”状，这是枝晶间处于液膜连接时断口的主要特征。热裂断口显示的枝晶较平滑，侧枝不发达，在断口上几乎看不到有深度方向的孔穴。由此可知，此热裂纹为典型的枝晶组织断裂。2.3K418合金的热力学平衡相图5为采用表1中1#和2#K418合金成分进行的热力学平衡相计算结果。对比图5a和图5b可知，K418合金析出相的种类并未因成分改变而发生变化，合金的主要平衡相有γ相、γ′相和MC相，此结果与显微组织观察结果一致。除此之外，还有M23C6相、P相和σ相。由于热力学计算结果为稳定的平衡相，因此这些相可能会在合金长期使用过程中逐步析出。由计算结果可知，1#K418合金γ′相的初始析出温度为1171℃，合金对应的初熔和终熔温度分别为1306和1346℃，凝固范围为40℃。2#K418合金γ′相的初始析出温度为1183℃，对应的初熔和终熔温度分别为1297和1340℃，凝固范围为43℃。由此可知，Al含量升高0.26%和Ti含量升高0.06%以后，γ′相的析出温度升高了12℃，初熔温度和终熔温度分别降低了9和6℃，初熔温度的显著降低致使合金的凝固范围扩大了3℃。图4K418合金涡轮叶片的热裂纹特征Fig.4CharacteristicsofhottearingofK418alloyturbineblade:(a)morphologyand(b)fracturesurface图5K418合金各相析出量与析出温度的计算曲线Fig.5Calculateddependencesofprecipitationphasesontemperatureinthealloy:(a)1#K418alloyand(b)2#K418alloy图6为以1#K418合金成分为例，γ′的析出温度和析出量随Al含量的变化关系。从图中可以看出，在Al含量从5.4%增至6.4%的过程中，γ′的析出温度从1152℃升高至1190℃，γ′的析出量从71.94%增至86.77%。可见，γ′的析出温度和析出量都随合金中Al含量的增加而明显增加。图7给出了Al含量对合金熔点的影响。可以看出，Al含量从5.4%增加到6.4%后，合金的初熔点从1309℃降为1302℃，终熔点从1351℃降为1339℃。图8为γ′的析出温度和析出量随Ti含量的变化关系。从图中可以看出，在Ti含量从0.5%增至1.0%的过程中，γ′的析出温度从1168℃增至1176℃，γ′的析出量从78.75%增至80.83%。由计算结果可知，随着合金中Ti含量的提高，γ′的析出温度和析出量都有所增加，但这种影响远不如Al的影响效果明显。图9给出了Ti含量对合金熔点的影响。可见，Ti含量从0.5%增加到1.0%后，合金初熔点从1311℃降为1303℃，终熔点从1349℃降为1343℃，尤其是初5.45.65.86.06.26.40.700.720.740.760.780.800.820.840.860.88SolvesTemperatureofγ',T/℃Massfractionofγ'Solvestemperatureofγ'AlContent,ω/%MassFractioinofγ'115011601170118011901200图6Al含量对γ′相的析出温度和析出量的影响Fig.6EffectsofAlcontentonprecipitationtemperatureandmassfractionofγ′inK418alloyab100μm50μm40080012001600Temperature,T/℃abγ'γLPσM23C6MC1.00.80.60.40.20.0MassFra