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編輯導(dǎo)語：通過調(diào)整澆注溫度制備了IN792鎳基高溫合金，對不同澆注溫度的試樣進(jìn)行了組織觀察，測試了合金在760 ℃、662 MPa以及982 ℃、186 MPa下的持久性能，研究了澆注溫度對IN792合金組織及持久性能的影響。結(jié)果表明：其他條件不變的情況下，隨著澆注溫度的升高，IN792高溫合金晶粒尺寸、枝晶間距以及γ?相增大，碳化物的形貌由顆粒狀轉(zhuǎn)變?yōu)殚L棒狀;熱處理后不同澆注溫度的合金γ?相尺寸相當(dāng)。澆注溫度過高時(shí)，合金中容易出現(xiàn)大尺寸疏松，成為影響合金持久壽命的薄弱區(qū)域。澆注溫度過低時(shí)，合金中橫向晶界是高溫持久條件下的薄弱區(qū)域。澆注溫度為1 430 ℃時(shí)，IN792合金高溫及中溫持久綜合性能最優(yōu)。

IN792是一種鎳基高溫合金，其廣泛應(yīng)用于航空航天、化工、海洋等需要承受高溫高應(yīng)力以及腐蝕環(huán)境中的部件制造領(lǐng)域。IN792合金在中溫及高溫下使用，對于該合金來說，持久壽命是一項(xiàng)非常重要的考核標(biāo)準(zhǔn)。目前國內(nèi)外已針對IN792高溫合金展開了一系列研究工作。鄭亮等人研究了IN792合金的凝固和偏析行為。楊金俠等人研究了精煉工藝對IN792合金冶金缺陷和拉伸性能的影響。H Arabi等人研究了固溶溫度和時(shí)效冷卻速率對IN792合金中γ?相析出的影響。Du等人研究了IN792合金的組織和拉伸行為。Kanesund等人研究了IN792合金的熱疲勞與損傷機(jī)理。D.A. Kazanskii等人研究了短時(shí)過熱對IN792合金組織性能的影響。

目前IN792合金的高溫低應(yīng)力持久性能仍存在波動性。針對提高IN792合金的綜合性能，胡聘聘等人研究了熱處理溫度對IN792合金的組織及持久性能的影響。Yang等人研究了碳含量對于IN792合金拉伸與持久性能的影響。但是對于澆注溫度對IN792高溫合金持久性能的影響仍待進(jìn)一步完善。澆注溫度作為鑄造的重要工藝參數(shù)，直接影響金屬液冶金質(zhì)量和凝固冷卻速度，對合金的組織及性能都是極其重要的。本研究擬討論澆注溫度對IN792合金組織及持久性能的影響，探尋最佳的澆注工藝，為不同尺寸的IN792高溫合金鑄件性能穩(wěn)定性提供數(shù)據(jù)參考。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)用IN792高溫合金，其化學(xué)成分見表1。

表1 IN792合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

采用VIM-F25型真空感應(yīng)爐熔煉上述成分的IN792母合金，分別在1 500 ℃、1 460 ℃、1 430 ℃、1 400 ℃下進(jìn)行澆注。獲得標(biāo)距段長為25 mm，直徑為8 mm的試棒。將試棒進(jìn)行熱處理，熱處理工藝分別為(1 120±10)℃保溫2h，風(fēng)冷;(1 080±10)℃保溫4h，風(fēng)冷10 min后空冷;(845±10) ℃保溫24 h，空冷。

將不同澆注溫度的鑄態(tài)及熱處理后試棒解剖，利用光學(xué)顯微鏡(OM)及掃描電子顯微鏡(SEM)觀察合金的晶粒形貌、枝晶形貌、碳化物及γ?相尺寸和它們的分布情況。合金組織試樣制備采用化學(xué)腐蝕的方式，腐蝕劑為20 g CuSO4+5 mL H2SO4+100 mL HCl+80 mL H2O溶液。

將不同澆注溫度的試棒熱處理后加工成持久試棒，利用F-25型持久試驗(yàn)機(jī)測試IN792合金在760 ℃、662 MPa以及982 ℃、186 MPa條件下的持久性能。分析不同澆注溫度組織和性能的變化規(guī)律及影響機(jī)理。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析及討論

2.1 IN792合金晶粒分布

圖1所示為不同澆注溫度下IN792試棒有效段的縱截面晶粒分布，圖片橫向?yàn)樵嚢衾鞎r(shí)應(yīng)力方向，垂直于該應(yīng)力方向的晶界為橫向晶界。圖1(a)澆注溫度為1 400 ℃時(shí)試樣橫向晶界較多，IN792合金主要為細(xì)小的柱狀晶;隨著澆注溫度升高到1 430 ℃，柱狀晶基本消失，成為了平均晶粒尺寸為1mm的等軸晶;1 460 ℃澆注后，平均晶粒長大到2.3 mm;1 500 ℃澆注后，晶粒的平均尺寸已經(jīng)達(dá)了5.4 mm。澆注溫度升高致使金屬液的凝固速率有所降低，晶粒獲得更長的長大時(shí)間，因此其他條件一定時(shí)，隨著澆注溫度的升高，晶粒尺寸逐漸長大。

在實(shí)際工程中，其他條件相同時(shí)，澆注溫度的高低反映了冷卻速度的大小。而在結(jié)晶過程中，冷卻速度的高低影響相變過冷度的大小。根據(jù)約翰遜-梅爾方程可以了解到晶核數(shù)P(t)與形核率N及長達(dá)速率vg存在一定的關(guān)系：

式中，k為常數(shù)，P(t)與晶粒尺寸d成反比。N和vg都取決于過冷度。由此可見，隨著過冷度升高，形核率N迅速增大且速率大于vg，晶核數(shù)P增多，晶粒尺寸d減小，晶粒會變得更為細(xì)小。因此，澆注溫度越高，晶粒尺寸越大。

圖1 不同澆注溫度試棒縱剖面晶粒形分布

2.2 IN792合金鑄態(tài)組織

圖2所示為IN792合金鑄態(tài)組織，從中可以看出澆注溫度低時(shí)枝晶間距較小。隨著澆注溫度提高，枝晶臂粗化，同時(shí)二次枝晶間距逐漸增大。由凝固理論可知，高溫合金凝固速率與枝晶間距存在一定的關(guān)系，經(jīng)驗(yàn)公式如下：

公式中λ為枝晶間距，V為合金凝固速率。采用Image-J統(tǒng)計(jì)計(jì)算不同澆注溫度試樣的平均二次枝晶間距，其中1400 ℃試樣的平均二次枝晶間距約為67 μm，1 430 ℃試樣約為79 μm，1 460 ℃試樣約為82 μm，1 500 ℃試樣約為90 μm。結(jié)合公式(2)可知，隨著澆注溫度提高，合金的冷卻速度降低，平均枝晶間距與冷卻速度成反比關(guān)系，導(dǎo)致枝晶間距增大。另外碳化物主要分布在枝晶間，其中澆注溫度較低(1 400 ℃)時(shí)，碳化物主要為小顆粒狀，隨著澆注溫度的升高，碳化物逐漸長大，澆注溫度為1 500 ℃時(shí)碳化物為長棒狀。

(a)1 400 ℃

(b)1 430 ℃

(c)1 460 ℃ 

(d)1 500 ℃

圖2 不同澆注溫度合金鑄態(tài)組織

2.3 IN792合金γ?相形貌

圖3所示為不同澆注溫度的IN792合金鑄態(tài)和熱處理態(tài)組織中的γ?相形貌，鑄態(tài)組織中γ?相為不規(guī)則形狀，其中1 400 ℃試樣(圖3(a))的γ?相尺寸約為0.28 μm，1 500 ℃試樣(圖3(b))的γ?相尺寸約為1.27 μm。高溫合金的固溶度隨著溫度的降低而減小，在合金凝固后，基體中開始析出γ?強(qiáng)化相，當(dāng)澆注溫度較低時(shí)，合金的過冷度相對較大，γ?相形核數(shù)量多，尺寸相對較小;隨著澆注溫度的升高，γ?相生長得越來越粗大。
IN792合金熱處理后，γ?相尺寸發(fā)生了變化。從圖3(c)和(d)中可以看出，不同澆注溫度合金熱處理后γ?相尺寸相差不大，其中澆注溫度為1 400 ℃試樣的γ?相尺寸約為0.56 μm，1 500 ℃試樣的γ?相尺寸約為0.54 μm。

(a)1 400 ℃鑄態(tài)

(b)1 500 ℃鑄態(tài)

(c)1 400 ℃熱處理

(d)1 500 ℃熱處理

圖3 不同狀態(tài)IN792合金中γ?相

圖3顯示雖然澆注溫度不同的鑄態(tài)試樣γ?相尺寸相差較大，但在經(jīng)過熱處理后γ?相尺寸趨于一致。說明γ?相對于不同澆注溫度合金持久壽命的影響貢獻(xiàn)率不大。因此IN792合金持久壽命主要受到晶粒尺寸及碳化物以及其他鑄造缺陷的影響。

2.4 合金持久性能

根據(jù)材料使用要求，IN792合金在760 ℃、662 MPa條件下持久壽命應(yīng)不小于35 h，在982 ℃、186 MPa條件下持久壽命應(yīng)不小于30 h。

不同澆注溫度的IN792合金試樣在760 ℃、662 MPa以及982 ℃、186 MPa條件下持久壽命的結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯?，在1 430 ℃和1 460 ℃澆注時(shí)合金的整體壽命較高;在1 400 ℃澆注時(shí)982 ℃、186 MPa的平均持久壽命為21 h，低于該條件下的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)30 h;而澆注溫度為1 500 ℃時(shí)，760 ℃、662 MPa條件下的平均持久壽命僅為27 h，也低于該條件下的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)35 h。

圖4 不同澆注溫度IN792合金的持久壽命

晶粒細(xì)化是一種工程中經(jīng)常應(yīng)用的強(qiáng)化方法，在增加材料強(qiáng)度的同時(shí)也可以增加合金的塑性。這是由于在溫度較低的情況下，晶界阻礙位錯的滑移，而在高溫環(huán)境下，原子活性加強(qiáng)，晶界穩(wěn)定性減弱，與應(yīng)力垂直方向的晶界甚至可能成為高溫力學(xué)條件下的薄弱區(qū)域。

從測試數(shù)據(jù)結(jié)果來看，1 400 ℃澆注合金雖然晶粒尺寸小，由于澆注溫度過低，合金有效段的冷卻速度較快，組織中存在大量的柱狀晶，這些柱狀晶的生長方向垂直于持久測試的應(yīng)力反向，大量的橫向晶界也成為了薄弱區(qū)，因此在982 ℃、186 MPa條件下持久壽命很短。隨著澆注溫度升高到1 430 ℃、1 460 ℃，擁有更細(xì)小均勻等軸晶的合金持久壽命更長。而在760 ℃、662 MPa條件下，合金對橫向晶界的敏感性并沒有高溫條件高，澆注溫度低時(shí)，合金晶粒小，持久性能好。

采用掃描電子顯微鏡觀察不同澆注溫度合金在760 ℃、662 MPa條件下的持久斷口形貌如圖5所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，斷裂位置主要為沿枝晶斷裂，其中1 400 ℃澆注合金斷口表面起伏較大，斷面與呈現(xiàn)瞬時(shí)拉斷形貌且與主應(yīng)力軸間夾角約為45 °;1 430 ℃與1 460 ℃澆注合金斷口形貌相似，存在大量的碎裂碳化物，說明在該條件下微裂紋的形成與碳化物的開裂有一定的關(guān)系。
又由于碳化物的耦合作用，澆注溫度升高到1 430 ℃、1 460 ℃時(shí)，合金的持久壽命更受到碳化物形貌的調(diào)控，碳化物呈棒狀時(shí)合金中硬質(zhì)相的占比更大，更能保證合金的連續(xù)性，因此持久壽命顯示出圖4的趨勢。

(a)(b)(c)1 400 ℃，(d)(e)(f)1 430 ℃，(g)(h)(i)1 460 ℃，(j)(k)(l)1 500 ℃

圖5 不同澆注溫度IN792合金760 ℃、662 MPa持久斷口形貌

1 500 ℃澆注合金持久斷口觀察到大尺寸疏松形貌(圖5(l)黃色線圈出)，從圖5(k)中也可以看到從疏松部位開展的裂紋形貌，1 500 ℃澆注的合金在760 ℃、662 MPa條件下以及982 ℃、186 MPa條件下的持久性能都較差。
合金中存在嚴(yán)重缺陷(比如大尺寸疏松以及夾雜)時(shí)，其各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)則取決于缺陷處薄弱位置的性能。因此，澆注溫度過高試樣存在疏松傾向。
圖6為不同澆注溫度合金在982 ℃、186 MPa條件下的持久斷口形貌。可以看到裂紋在晶界處開展較多，其中澆注溫度為1 430 ℃合金斷口截面觀察到部分γ?相發(fā)生筏化的現(xiàn)象，這與圖4中982 ℃、186 MPa持久性能相契合，澆溫為1 430 ℃時(shí)，合金的高溫低應(yīng)力持久壽命最長，達(dá)到了60.8 h。

(a)(b)(c)1 400 ℃，(d)(e)(f)1 430 ℃，(g)(h)(i)1 460 ℃，(j)(k)(l)1 500 ℃

圖6 不同澆注溫度IN792合金982 ℃、186 MPa持久斷口形貌

3 結(jié)論

(1)其他條件不變的情況下，隨著澆注溫度的升高，IN792高溫合金晶粒尺寸以及枝晶間距增大。碳化物的形貌由顆粒狀轉(zhuǎn)變?yōu)殚L棒狀分布在枝晶間。合金鑄態(tài)組織中γ?相尺寸增大，但經(jīng)過熱處理后γ?相尺寸相差較小。

(2)合金中橫向晶界嚴(yán)重影響982 ℃、186 MPa下的合金性能，而對760 ℃、662 MPa條件下的持久壽命影響不大。
(3)澆注溫度過高時(shí)，合金中容易出現(xiàn)大尺寸疏松，從而成為合金持久壽命的薄弱區(qū)域。
(4)在窗口澆注溫度內(nèi)，合金的高溫持久壽命隨著晶粒尺寸的減小而增大，中溫持久壽命則隨著碳化物占比的增高而增大。澆注溫度為1 430 ℃時(shí)，合金的高溫及中溫持久綜合性能最優(yōu)。