含鋸鎳基高溫合金CH4133B是我國自主研制開(kāi)發(fā)的一種新型√沉淀硬化高溫合金，是在GH4133(即GH33A)合金基礎上添加微量合金元素鎂、錯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)機中的渦輪盤(pán)、承力環(huán)和葉片,長(cháng)期使用溫度可達750 ℃"。目前我國主要殲擊機機的噴氣發(fā)動(dòng)機渦輪盤(pán)都使用了該合金2。

隨著(zhù)發(fā)動(dòng)機性能的提高以及工作應力和溫度等條件的不斷惡化,GH4133B合金在使用過(guò)程中的組織穩定性成為了關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。而目前還缺乏對該合金長(cháng)期時(shí)效后組織和性能的研究;筆者通過(guò)熱力學(xué)計算和微觀(guān)組織觀(guān)察分析了合金長(cháng)期時(shí)效過(guò)程中的組織演化規律及其本質(zhì)原因,研究結果可為評價(jià)和改進(jìn)合金的服役性能提供試驗和理論依據。

本試驗所用合金經(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)量分數,%)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)標準熱處理后( 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(cháng)期時(shí)效。利用Thermo Calc熱力學(xué)計算分析了GH 4133B合金平衡狀態(tài)下可能存在的析出相,隨后通過(guò)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。

標準成分的熱力學(xué)計算分析

利用Therm o Calc計算軟件與相應的鎳基高溫合金數據庫對GH4133B合金進(jìn)行熱力學(xué)模擬計算,結果如圖1和表1所示。通過(guò)圖1中的結果和表Ⅰ數據可知,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,該合金所對應的初熔和終熔溫度分別為1357和 1301 ℃,凝固溫度區間為56℃。相的初始析出溫度為946 ℃; M2s Co在低于891 ℃時(shí)就開(kāi)始析出?！虨楹辖鸬闹饕獜娀?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(guān)察。光學(xué)顯微鏡組織觀(guān)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),掃描電鏡強化相和碳化物觀(guān)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(zhù)大量孿晶,有的是貫穿整個(gè)晶粒,有的則是開(kāi)始于晶界,終止在晶內,這些孿晶都是退火孿晶。

GH 4133B中奧氏體基體跟主要強化相√均屬于面心立方結構,鋸的加入使得合金的層錯能較低!3',空位及原子的運動(dòng)使得晶體內局部原子堆垛次序發(fā)生錯排,形成層錯。因共格孿晶界的界面能小于大角度晶界的界面能,層錯得以穩定存在構成孿晶核心。堆垛層錯的強化效果不隨溫度的升高而減弱,因此在高溫合金的強化機制中占有很重要的地位。退火孿晶的出現可以改變合金中裂紋擴展的方向,提高塑性變形功,延緩斷裂過(guò)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?jiàn),不同溫度和時(shí)間下時(shí)效后,平均晶粒尺寸沒(méi)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(zhù)時(shí)效時(shí)間的增加和時(shí)效溫度的升高,品粒尺寸無(wú)變化, 80O℃以下長(cháng)期時(shí)效時(shí),強化相y比較穩定,尺寸略有增加,形狀沒(méi)有發(fā)生變化;在800 ℃長(cháng)期時(shí)效時(shí),隨著(zhù)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,顆粒間距也相應增大,并出現一定的取向性。

時(shí)效時(shí)間和時(shí)效溫度對初生碳化物基本上沒(méi)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,應控制合金中的Ti含量以及元素偏析行為來(lái)降低或消除П相在合金中的析出。