热等静压温度对K447A高温合金显微组织及性能的影响

李爱兰， 汤 鑫， 曹腊梅， 盖其东

（北京航空材料研究院先进高温结构材料重点实验室，北京 100095）

铸造高温合金是由合金锭重熔后直接浇注成零件的高温合金，是在高温及氧化腐蚀环境中长期稳定工作的金属结构材料。铸造高温合金最重要的用途是制造航空发动机、航天火箭发动机和各种工业燃气涡轮发动机涡轮叶片、导向叶片、整铸涡轮和导向器、增压器、涡轮机匣、尾喷管调节片等零部件［1］。

中小型发动机一般采用整体铸造叶盘，即将叶片和轮盘一次整体铸造而成［2］。叶片承受高温腐蚀性燃气直接冲击，容易发生蠕变断裂，需要在高温下有好的高温持久和蠕变强度;而轮盘需要承受巨大的机械应力，需要在中低温下有好的拉伸强度和低周疲劳性能。由于定向柱晶组织在高温下具有好的持久和蠕变性能，细晶组织在中低温下具有好的拉伸性能和低周疲劳性能，因此将整体叶盘的叶片铸造成定向柱晶、轮盘铸造成等轴细晶是提升整体叶盘使用性能的最佳途径。整体叶盘叶片的极限温度大于1000℃，转数超过100000r/min。在这样高的温度和转数条件下，整体叶盘承受很高的机械应力和热应力，容易造成叶片和轮盘断裂［3～6］。

为了解决这些问题，人们不断研究强度和承温能力更高的新型合金材料和先进工艺。二十世纪八十年代，美国采用 Mar-M247，IN792+Hf等合金来铸造整体叶盘，显著提高了整体叶盘轮盘的强度和低周疲劳性能，也一定程度地提高了叶片的承温能力，延长了叶盘的工作寿命，并得到了广泛的应用［7］。

北京航空材料研究院研究了定向、等轴晶双性能整体叶盘材料K447A合金，具有良好的铸造性能、优异的高温强度，耐热腐蚀性能，可靠性高，成本低，填补了我国在1000℃以上工作的定向/细晶双性能整体叶盘材料的空白［8，9］。熔融合金浇注后，凝固过程中产生收缩造成补缩不足，在铸件内部形成显微疏松，这些疏松分布在枝晶间及晶界上，造成晶界弱化，而显微疏松的存在会造成铸件持久性能及伸长率降低。热等静压（HIP）处理是目前消除铸件内部孔洞类缺陷，提高铸件致密度的有效办法，并在国内外得到了广泛的应用。热等静压处理不仅能消除铸件缺陷，而且还可以改善铸件的组织和力学性能，提高铸件使用的可靠性。此外，用热等静压处理来改善价格昂贵的熔模铸件的质量，大大提高铸件合格率，经济效益显著［10］。

本工作研究了热等静压温度对K447A合金显微组织及性能的影响。

1 实验方法

实验用K447A母合金在500kg真空感应炉中熔炼，浇注成φ80mm的合金锭，化学成分见表1所示。在细晶炉上重熔浇注成等轴晶试棒，然后进行热等静压处理，热等静压温度分别为1185℃，1195℃，1210℃，1230℃，压力为 180MPa，时间为4h。热等静压后进行热处理，制度为1185℃/2h，AC+1100℃ /4h，AC+870℃ /20h，AC。热处理后的试棒按HB 5143—1966，HB 5150—1996加工成φ5mm力 学 性 能 试 样。测 试 760℃/724MPa，980℃/200MPa持久性能及室温拉伸性能。取金相试样，采用光学显微镜和扫描电镜观察合金显微组织形貌。

表1 K447A合金的化学成分（质量分数/%）Table 1 Chemical composition of K447A alloy（mass fraction/%）

2 结果分析与讨论

2.1 HIP温度对性能的影响

表2是热等静压温度对K447A合金持久性能的影响。从表2可以看出，经1195℃HIP的K447A合金760℃/724MPa持久性能最高，达到96.83h，1210℃HIP的K447A合金760℃/724MPa持久性能次之，为 78.19h;经 1210℃HIP的 K447A合金980℃/200MPa持久性能最高，达到 91.7h，1195℃HIP的K447A合金980℃/200MPa持久性能次之，为84.2h;经1230℃HIP的合金760℃/724MPa和980℃/200MPa持久寿命较低，分别为25.67h和0.50h。

表2 热等静压温度对K447A合金持久性能的影响Table 2 Effect of various HIP temperatures on stress rupture properties of K447A alloy

表3是热等静压温度对K447A合金室温拉伸性能的影响。从表3中可以看出，经1185℃HIP，1195℃HIP和1210℃HIP处理的K447合金室温性能相近;而经1230℃HIP的合金室温拉伸性能稍有下降。

从实验结果可知，在180MPa/4h下，K447A合金合适的热等静压温度为1185～1210℃。

表3 热等静压温度对K447A合金室温拉伸性能的影响Table 3 Effect of various HIP temperatures on room temperature tensile properties of K447A alloy

2.2 HIP温度对显微疏松的影响

图1为K447A合金铸态显微疏松形貌，经测定疏松含量为1.4%。热等静压处理后，K447A合金中的显微疏松如图2所示。显微疏松都有所降低，分别为0.39%（1185℃HIP），0.19%（1195℃HIP），0.06%（1210℃HIP），0（1230℃HIP）。随热等静压温度的提高，合金显微疏松逐步闭合。

图1 K447A合金铸态显微疏松形貌Fig.1 Casting porosity of K447A alloy

图2 热等静压温度对K447A合金显微疏松的影响Fig.2 Effect of various HIP temperatures on the microporosity of K447A alloy（a）1185℃;（b）1195℃;（c）1210℃;（d）1230℃

2.3 HIP温度对碳化物的影响

K447A合金铸态组织中的碳化物为汉字体状或长条状MC碳化物，不均匀的分布在晶粒内或晶界上，经EDS分析，其主要成分为HfC，TaC，含少量W及Ti，如图3所示。

图4是热等静压温度对K447A合金碳化物形貌的影响。从图中可以看出，经1185℃HIP的合金由于热等静压和固溶温度都比较低，碳化物仍为骨架状或长条状;1195℃HIP时合金中骨架状碳化物部分溶入基体中，成为不连续的骨架状;1210℃HIP时合金中粗大的汉字体碳化物进一步溶解，尺寸进一步减小;热等静压温度升高到1230℃，合金中汉字体状碳化物已经基本溶解，仅剩下少量块状碳化物。因此，随热等静压温度的提高，合金中碳化物被细化和球化，改变了碳化物的形状及大小。

2.4 HIP温度对共晶相的影响

K447A合金铸态下枝晶干γ'相呈立方体形貌，枝晶间γ'相粗大且形状不规则，在枝晶间及晶界上存在大量葵花状共晶组织，由γ相与长条状或块状γ'相以层状间隔排列而成。这是因为在凝固过程中首先形成枝晶干的单相固溶体，同时，Al和Ti等元素向枝晶间液相富集，使剩余液相中的溶质浓度达到共晶点，生成（γ+γ'）共晶相。如图5所示。

图6是热等静压温度对K447A合金共晶相形貌的影响，从图6中可以看出，经热等静压和热处理后，γ-γ'共晶数量减少，心部网格显著减少，共晶特征趋于不明显。随热等静压温度的提高，共晶相尺寸和数量逐步降低，在共晶相周围析出了细小的颗粒状碳化物。

图3 K447A合金铸态碳化物形貌Fig.3 Casting carbides of K447A alloy （a）low magnification;（b）high magnification

2.5 HIP温度对晶界的影响

图7是K447A合金铸态晶界形貌，从图中可以看出，铸态组织晶界处有大量条带状MC碳化物存在。

图7 K447A合金铸态晶界形貌Fig.7 Casting grain boundary of K447A alloy

图8是不同温度热等静压对K447A合金晶界形貌。从图中可以看出，经过1185℃HIP，1195℃HIP，1210℃HIP的合金晶界为不连续的颗粒状碳化物。晶界处不连续分布的颗粒状碳化物是合金时效处理时产生的，经EDS分析可知，为Cr的Cr23C6型碳化物。而经过1230℃HIP的合金晶界呈现薄膜状，γ'相粗化成大块状γ'相，这将导致合金强度降低。

2.6 HIP 温度对 γ'相的影响

图9是K447A合金铸态γ'相形貌。图10是热等静压温度对K447A合金γ'相形貌的影响，从图中可以看出，与铸态相比，经热等静压的合金中γ'相体积分数有所提高，形成了大、小两种尺寸的γ'相，提高了合金的高温强度，随热等静压温度的升高，细小γ'相的体积分数越大。

图8 热等静压温度对K447A合金晶界形貌的影响Fig.8 Effect of various HIP temperatures on grain boundary of K447A alloy（a）1185℃;（b）1195℃;（c）1210℃;（d）1230℃

图9 K447A合金铸态γ'相形貌Fig.9 Casting γ'phase of K447A alloy

2.7 讨论

γ'相是K447A合金的主要强化相，铸态组织中的γ'相是在凝固过程中析出，为一次γ'相，形状不规则，尺寸约1μm。870℃/20h时效后产生了二次γ'相，约为0.1μm。γ'相的含量、大小和分布对合金高温强度有重要影响，高温强度随γ'相数量增加而增高，持久寿命与细小γ'相（小于0.5μm）的体积分数有很大关系，随细小γ'相的增加，持久寿命提高。经热等静压的合金中产生了大量细小γ'相，合金980℃/200MPa持久寿命大幅提高［11］。因此细小γ'相的产生是合金热等静压后高温持久寿命提高的主要原因。

由于K447A合金中添加了1.5%（质量分数）的Hf，增加了（γ+γ'）共晶含量，Hf的偏析强化了（γ+γ'）共晶组织，使合金伸长率及持久寿命大幅提升，富含Hf的（γ+γ'）共晶组织在晶界上增加，使合金抵抗晶界破裂的能力随之增加［12］。经热等静压后，合金晶界上具有延展性的（γ+γ'）共晶组织大大减少，造成裂纹沿着脆性碳化物界面快速扩展。共晶数量和尺寸的减小，使得裂纹沿脆性汉字体状碳化物快速扩展是热等静压后合金中温持久强度有所降低的主要原因。

1230℃HIP处理的合金由于晶界 γ'相粗化长大，晶界呈薄膜状，中温、高温持久寿命均大幅下降。因此，晶界恶化是1230℃HIP处理的合金中温、高温持久性能下降的主要原因。

图10 热等静压温度对K447A合金γ'相形貌的影响Fig.10 Effect of various HIP temperatures on γ'phase of K447A alloy（a）1185℃;（b）1195℃;（c）1210℃;（d）1230℃

3 结论

（1）1185～1210℃/180MPa/4h热等静压及1185℃ /2h，AC+1100℃ /4h，AC+870℃ /20h，AC 热处理后，随热等静压温度的提高，K447A合金中的显微疏松逐步闭合，碳化物逐步细化和球化;（γ+γ'）共晶相尺寸和数量逐步减小，共晶特征趋于不明显;晶界呈不连续颗粒状;存在大、小两种尺寸的γ'相。1230℃/180MPa/4h处理的合金晶界恶化，γ'相有粗化长大现象。

（2）180MPa/4h下，K447A合金的热等静压温度应在1185～1210℃。

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