Sr 和Ce 对镍基高温合金高温力学及热疲劳性能的影响

徐海峰,孔 建

烟台工程职业技术学院,山东 烟台 264006

镍基高温合金是以镍为基体并添加其它合金元素的一种高温合金，具有较高的强度、较好的抗氧化性能和耐腐蚀性能，在农业动力领域得到广泛的应用。吴凯等[1]研究了固溶热处理对新型镍基粉末FGH981 高温合金组织与性能的影响。何国爱等[2]探讨了粉特性对镍基粉末冶金高温合金的显微组织及热变形行为影响规律。潘晖和赵海生[3]研究了镍基钎料钎焊K465 高温合金的大间隙接头显微组织以及性能。谢君等[4]分析和探讨了含铪高钨K416B 镍基铸造高温合金显微组织及其蠕变行为。刘程鹏等[5]分析了Ni-Al 二元镍基模型高温合金在热暴露实验时γ′相的尺寸与体积分数变化规律。马亚鑫等[6]分析了镍基定向凝固高温合金在高温时效处理以后的显微组织和力学性能。杨长勇等[7]研究和分析了陶瓷CBN 砂轮磨削镍基铸造高温合金K418 的磨削加工性能。然而，随着各行业技术的发展，人们对高温合金材料的性能提出了更好要求，K418 镍基高温合金在高温力学性能和热疲劳性能方面还存在不足，难以满足高端市场的需要。研究发现添加适量的合金元素可以改善合金的热疲劳性能，合金元素Sr 是一种抗高温性能较佳的合金元素，添加Sr 有利于提高合金的热疲劳性能；此外，稀土元素Ce 可以有效提高合金的综合性能。为此，本文在K418 镍基高温合金中添加Sr 和Ce，制备了新型镍基高温合金K418-Sr-Ce，并对比分析了合金的铸态高温力学性能和热疲劳性能。

1 材料及方法

1.1 试验材料

本文试验材料为K418-Sr-Ce 新型镍基高温铸态合金，合金的化学成分如表1 所示。合金的制备采用真空感应熔炼+电渣重熔方法。真空感应熔炼采用ZG500 型真空感应熔炼炉。合金铸锭为棒状，尺寸为φ80 mm×300 mm。合金试样未进行热处理。

表1 合金化学成分(wt.%)Table 1 Chemical composition of the alloy

1.2 试验方法

高温力学性能：用线切割方法切取棒状拉伸试件，试件平行段尺寸为φ5 mm×35 mm、夹持段尺寸为φ20 mm×30 mm。在BZ-GD-30 型微机控制高温拉伸试验机上试验，试验温度为800 ℃，拉伸速度为1 mm/min，记录试件的抗拉强度和收缩率，并用EVO18 型扫描电子显微镜记录拉伸断口形貌。

热疲劳性能：先用线切割方法切取圆片状热疲劳试件，并在试件上切取V 型缺口以促使裂纹萌生，缺口深度2 mm、夹角60°，尺寸为φ30 mm×10 mm；接着用600#～1200#砂纸依次磨制试片；然后将试件置于箱式电阻炉中加热至800 ℃并保温5 min；随后用流动自来水冷却至20 ℃，如此冷热循环1000 次；最后取出试样，经研磨抛光后在金相显微镜下测量主裂纹长度和宽度。

为了尽可能减少试验误差，所有的测试都进行了三次平行试验，以平行试件三次测试值的算术平均值作为试样的测试值。

2 试验结果

2.1 高温力学性能

K418-Sr-Ce 新型镍基高温铸态合金与K418 铸态合金的高温力学性能试验结果，如图1 所示。从图1 可以看出，与K418 铸态合金相比，K418-Sr-Ce 新型镍基高温铸态合金的高温抗拉强度从78 MPa 提高到112 MPa；收缩率从6.2%提高到8.1%。由此可以看出，添加合金元素Sr 和Ce 后，新型镍基高温铸态合金具有更好的高温力学性能。

图1 试样高温力学性能Fig.1 Mechanical properties of the alloy at high temperature

图2 是铸态K418-Sr-Ce 新型镍基高温合金与铸态K418 合金的拉伸断口形貌。从图2（a）可以看出，铸态K418 合金在800℃高温拉伸时断口中存在较多的解理台阶、河流花样和撕裂棱，表现出较为明显的解理断裂。从图2（a）可以看出，与铸态K418 合金相比，K418-Sr-Ce 新型镍基高温合金在800 ℃高温拉伸时断口中仅有少量的解理台阶，有较多的韧窝和撕裂棱，表现出较为明显的韧脆混合断裂特征。通过添加Sr 和Ce，改善了材料显微组织，阻碍了裂纹的扩展。显著提高了材料的韧性，使得材料的耐疲劳破坏能力显著提高。

图2 合金拉伸断口形貌Fig.2 Tensile fracture photos on the alloys

2.2 热疲劳性能

铸态K418-Sr-Ce 新型镍基高温合金与铸态K418 合金的热疲劳性能测试结果，如图3 所示。从图3 可以看出，与K418 铸态合金相比，K418-Sr-Ce 新型镍基高温铸态合金的主裂纹长度从26 μm减小到17 μm，减小了35%；主裂纹宽度从14 μm 减小到9 μm，减小了36%。由此可以看出，添加合金元素Sr 和Ce 后，新型镍基高温铸态合金具有更好的热疲劳性能。

图3 合金热疲劳性能Fig.3 Thermal fatigue property of the alloys

合金元素Sr 是碱土元素，性能活泼。在合金中添加元素Sr，在冶炼时形成弥散分布的小颗粒金属间化合物相，这类化合物容易在合金晶界偏聚，提高合金的晶界强度；阻碍位错的滑移和攀移运动，从而提高合金的高温强度，改善合金在高温环境下的综合性能。当镍基高温合金中添加了稀土元素Ce 后，可以有效地促进合金在熔炼过程中具有更好的除气、除杂作用，并能提高合金的流动性和晶粒细化作用，从而有效改善镍基高温合金的高温力学性能和热疲劳性能。因此，在铸态K418镍基高温合金中复合添加合金元素Sr 和Ce 后，得到的铸态K418-Sr-Ce 新型镍基汽车高温合金具有更好的高温力学性能和热疲劳性能。

3 结论

合金元素Sr 和Ce 的复合添加，改善了材料的内部组织，提高铸态K418 镍基高温合金的高温力学性能和热疲劳性能；

1）与铸态K418 合金相比，铸态K418-Sr-Ce 新型镍基高温合金在800 ℃测试环境下的高温抗拉强度增大44%、收缩率增大31%，具有更好的高温力学性能；

2）与铸态K418 合金相比，铸态K418-Sr-Ce 新型镍基汽车高温合金经过1000 次800 ℃～20 ℃冷热循环后的主裂纹长度减小35%、主裂纹宽度减小36%，具有更好的热疲劳性能。