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含鋸鎳基高溫合金CH4133B是我國自主研制開發(fā)的一種新型√沉淀硬化高溫合金，是在GH4133(即GH33A)合金基礎(chǔ)上添加微量合金元素鎂、錯(cuò)并改變了冶煉和模鍛工藝而產(chǎn)生的;主要用于制造發(fā)動(dòng)機(jī)中的渦輪盤、承力環(huán)和葉片,長期使用溫度可達(dá)750 ℃"。目前我國主要?dú)灀魴C(jī)機(jī)的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤都使用了該合金2。

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)性能的提高以及工作應(yīng)力和溫度等條件的不斷惡化,GH4133B合金在使用過程中的組織穩(wěn)定性成為了關(guān)注的熱點(diǎn)問題。而目前還缺乏對該合金長期時(shí)效后組織和性能的研究;筆者通過熱力學(xué)計(jì)算和微觀組織觀察分析了合金長期時(shí)效過程中的組織演化規(guī)律及其本質(zhì)原因,研究結(jié)果可為評價(jià)和改進(jìn)合金的服役性能提供試驗(yàn)和理論依據(jù)。

本試驗(yàn)所用合金經(jīng)真空冶煉后澆鑄成5kg 的鑄錠,然后鍛制成c5 mm的棒材,化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)為: C o 062、Cr 20 75、A l 0. 84、Ti 2.69、Nb1. 48.Fe Q 6、Si 0. 62、B 0 008、Mg o o1、Zr 0. 03、Ni余量。

合金棒材試樣經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)熱處理后( 1 080 ℃x 8 h,空冷＋750 ℃ × 16h,空冷)，分別在600、700和800℃三個(gè)溫度下進(jìn)行100.500和 1 000h 的長期時(shí)效。利用Thermo Calc熱力學(xué)計(jì)算分析了GH 4133B合金平衡狀態(tài)下可能存在的析出相,隨后通過金相、SEM 和 EDS等方法,得出了不同時(shí)效時(shí)間和時(shí)效溫度下的組織狀態(tài)及各種典型析出相的特征。

標(biāo)準(zhǔn)成分的熱力學(xué)計(jì)算分析

利用Therm o Calc計(jì)算軟件與相應(yīng)的鎳基高溫合金數(shù)據(jù)庫對GH4133B合金進(jìn)行熱力學(xué)模擬計(jì)算,結(jié)果如圖1和表1所示。通過圖1中的結(jié)果和表Ⅰ數(shù)據(jù)可知,GH 4133B合金的主要平衡相有x相、√相、MC和l M 23 Co碳化物及П相。圖1表明,該合金所對應(yīng)的初熔和終熔溫度分別為1357和 1301 ℃,凝固溫度區(qū)間為56℃。相的初始析出溫度為946 ℃; M2s Co在低于891 ℃時(shí)就開始析出?！虨楹辖鸬闹饕獜?qiáng)化相,碳化物MC和 M3 C。所占的比例較小。從圖1中還可以看到,在796℃時(shí)可能會(huì)有П相析出。

合金的顯微組織分析

對CH4133B合金不同時(shí)效時(shí)間和時(shí)效溫度下的試樣在光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡下進(jìn)行了組織觀察。光學(xué)顯微鏡組織觀察的試樣采用化學(xué)侵蝕方法( 1 5g的 CuSO4+ 40 mL HCl+ 20mL酒精為侵蝕劑, 時(shí)間l min),掃描電鏡強(qiáng)化相和碳化物觀察的試樣采用電解拋光和電解侵蝕方法(電解拋光液的成分為20% H2sO4+甲醇,拋光時(shí)電壓為30V,時(shí)間20s;電解侵蝕的腐蝕劑為CrzO3 15 g+ 150mLH:PO4+ 10 mL. H2SO4,電壓5V,時(shí)間2~ 5 s)。22 1CH4133B合金的基本組織狀態(tài)

圖2( a)是GH4133B合金在600℃下時(shí)效500 h后的光學(xué)金相組織?？梢钥闯鼍Я３叽巛^為均勻。圖2( b)是合金在700℃下時(shí)效100h后的SEM 照片,從圖中可以看出:試樣中存在著大量孿晶,有的是貫穿整個(gè)晶粒,有的則是開始于晶界,終止在晶內(nèi),這些孿晶都是退火孿晶。

GH 4133B中奧氏體基體跟主要強(qiáng)化相√均屬于面心立方結(jié)構(gòu),鋸的加入使得合金的層錯(cuò)能較低!3',空位及原子的運(yùn)動(dòng)使得晶體內(nèi)局部原子堆垛次序發(fā)生錯(cuò)排,形成層錯(cuò)。因共格孿晶界的界面能小于大角度晶界的界面能,層錯(cuò)得以穩(wěn)定存在構(gòu)成孿晶核心。堆垛層錯(cuò)的強(qiáng)化效果不隨溫度的升高而減弱,因此在高溫合金的強(qiáng)化機(jī)制中占有很重要的地位。退火孿晶的出現(xiàn)可以改變合金中裂紋擴(kuò)展的方向,提高塑性變形功,延緩斷裂過程,進(jìn)而使合金低溫下塑性和韌性得到提高。表2給出了CH4133B合金在不同溫度下時(shí)效不同時(shí)間后的平均晶粒尺寸?？梢?不同溫度和時(shí)間下時(shí)效后,平均晶粒尺寸沒有明顯改變。

熱力學(xué)軟件得出GH 4133B在使用溫度卜的平衡析出相為v相、y相、M C 與 M 2sC。碳化物、相。

隨著時(shí)效時(shí)間的增加和時(shí)效溫度的升高,品粒尺寸無變化, 80O℃以下長期時(shí)效時(shí),強(qiáng)化相y比較穩(wěn)定,尺寸略有增加,形狀沒有發(fā)生變化;在800 ℃長期時(shí)效時(shí),隨著時(shí)效時(shí)間的增加,√相逐漸變?yōu)榱⒎襟w形,顆粒尺寸急劇增大,顆粒間距也相應(yīng)增大,并出現(xiàn)一定的取向性。

時(shí)效時(shí)間和時(shí)效溫度對初生碳化物基本上沒有影響。GH4133B合金在800℃時(shí)效500h和1000h后在晶界附近均有少量針狀П相析出。П相的析出會(huì)使合金的塑性下降,應(yīng)控制合金中的Ti含量以及元素偏析行為來降低或消除П相在合金中的析出。