钴对Fe-Cr-Ni-Co基Refractoloy26合金显微组织的影响

D0I:10.13374/j.issm1001-053x.1986.02.006 北京钢铁学院学报 1986年6月 Journal of Beijing University No.2 第2期 of Iron and Steel Technology Juae 1986. 钴对Fe-Cr一Ni一Co基Refractoloy26 合金显微组织的影响 庄林忠陈国良许嘉龙 (北京钢铁学院) (上海钢铁研究所) 摘 要 本文比较系统地研究了钴对Fe-Cr-Ni-Co基Refractoloy26合金组织结构的影响，实验采 用光学显微镜，电子显微镜，X射线衍附分析及化学相分析等方法对不同含钴量合金的显微 组织进行了观察和分析。结果表明：减少Refractoloy226合金中的含钴最将使析出相的 重量百分数和γ'相颗粒尺寸增加，而使y'相之间的点阵错配度减小；使合金中折出的 MC碳化物隐定性降低，从而使合金在时效过程中形成较多的M23C6和6C碳化物，并使析 出的各类碳化物总量增加·在高钴合金中，M23C6碳化物不再存在，但有μ祖析出.另外，定 量金相分析结果证明合金含钴量对李品形成的数量和形貌也均有影响。 关键词高温合金.Refractoloy26合金.微观结构.钻 Influences of Cobalt on the Microstructure of the Fe-Cr-Ni-Co Base Superalloy Refractoloy26 Zhuang Linzhong;Chen Guoliang:Xu Jialong. Abstract This paper deals with the effects of cobalt on the microstructures of Fe-Cr-Ni-Co base superalloy Refractoloy26,cobalt is replaced by nickel to produce versions of alloy containing 0,7,14,and standard 20 pct.cobaltr espectively.The microstructures of these alloys are examined by optical and electron microscope,X-ray diffractionand chemical phase analysis technique. As cobalt decreases,the weight fraction ofy'phase as well as the average 1985-04-15收席 59

年 月 第 期 北 京 钢 铁 学 院 学 报 “ 钻对 一 一 一 基 、 邓 合金显微组织的影响 庄林忠 陈国 良 州匕京钢铁学院 许嘉龙 上海 钢铁研究所 摘 要 本文 比较系统地研究了钻对几 一 卜 一 基 ， “ 。 “ 工。 了 合金组织结构的影响 。 实验采 用光学显微镜 ， 电子显微镜， 射线衍射分析及化学相 分析等方法对不 同含钻里合金的显徽 组织进行 了观察和 分析 。 结 果表明 减少 ‘ 。 。 了 合 金冲 的含钻量将使 丫析出相的 重量百 分数和丫 ’ 相颗粒尺寸增加 ，而使 ，一 丫 相之间 的点阵错配度减小 使合金 中析出的 碳化物稳定性降低，从而使合金在时效过程中形成较多的 和 至 碳化物 ， 并使 析 出的各类碳化物总量增加 · 在高钻合金中 ， 碳化物不再存在，但有卜相析出 。 另外 ，定 量金相分析结果证明合金含钻量对孪晶形成的数量和形貌也均有影响 ， 关键 词高温合金 爪 。 ， 合金 微观结构 钻 一 一 一 一 一 一 ， ， ， ， ， 一 气 ， 至 丫‘ ， 一 一 收稿 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1986．02．006

diameter of y particles increase,while they-y'lattice mismatch decreases. It is found that removing cobalt destabilizes MC carbide in the alloys so that t more grain boundaries M2sCe and Me C carbide form during ageing treat- ment,and the amount of carbides increase.The results of X-ray diffr-action analysis illustrate that the M2sCecarbide disappears but u-phase fo-rms in the alloys with 14 and 20 pct.cobalt.Optical quantative analysis re-sults show that as cobalt content increases,the amount of twin increases,the morpholoy of twin boundary is changed.It is directly depended on the effect of cobalt morphloy on the stacking fault energy of matrices. key words:Surperalloy;refractoloy26;microstructure;Cobalt 前 言 钴是世界上紧缺的战略元素。在过去的十年中，由于多方面因素的影响，使钴的供 应面临着许多困难，钴的价格一度成倍增长)。但随着工业生产对高温合金需求量的 增加，钴在高温合金中的消费量仍在日趋增加，且其消费量占钴的总消费量的首位(1.2)。 为了从根本上解决钻的供求矛盾，合理使用昂贵而稀缺的钴，降低高温合金的成本和扩 大它的使用范围，有必要对高温合金中的节钴问题进行研究。 为了达到节钴的目的，首先必须确切地了解钴在高温合金中的作用。因此，近年来 在钴对高温合金的组织、性能影响方面已有不少的研究1-6)。大量研究结果表明：钴对 高温合金中存在的相都有影响，合金基体相的成份，Y'相、碳化物相及TCP相的数量、 成份、形貌及形成与否都与合金含钴量有关(7)。由于钴和镍的原子尺寸差异甚微。因 此钴加入基体中而引起的点阵强化是很弱的，但钴可显著降低合金的堆垛层错能〔8)。当 然，对于不同的合金，钴的影响作用也不尽相同。本文主要研究钴对Refractoloy26 合金显微组织的影响。 1实验材料和实验内容 实验选用Refractoloy26合金为基本合金成份，在此基础上，保持原合金中其它合 金元素的含量不变，以镍取代其中的钴，分别制备得0C0,7C0,14Co和20Co四个不 同含钻量的合金，其化学成份列于表1中。 合金采用真空感应炉治炼和真空自耗重熔的双真空治炼工艺，浇注成中160mm钢 锭。经热锻、热轧成形得到中19mm的圆棒。合金的热处理制度为：1080℃/60'，油冷 炉冷 +816℃/20h一→732℃/20h,空冷。用作化学相分析的试样在732℃增加150h的时效时 间，以保证相分析给出的结果尽可能接近合金在平衡状态时的情况。 主要实验内容： 用低倍金相观察及计算机程序控制图象分析仪作定量金相分析，测定不同含钴量合 60

尹 ， 丫 一 丫尹 。 ， 、 。 一 一 “ 一 一 一 息 五 ， ， 一 夕 。 。 一。 ， ， ‘ 。 一。 前 言 钻是 世界 上紧缺的 战略元素 。 在过去的 十年 中 ， 由于 多方面 因 素的影响 ， 使钻的供 应面临着许 多困难 ， 钻的 价格一 度成倍增长山 。 但随着工业生 产对高温 合金需求 量 的 增加 ， 钻在高温 合金 中的消 费量仍在 日趋增加 ， 且其消费量 占钻的总消费量的首位〔 · 〕 。 为了从根本上解决钻的供求矛盾 ， 合理 使用 昂贵而稀 缺的钻 ， 降低 高温 合金的 成本和扩 大它的 使用 范 围 ， 有必要对高温 合金 中的 节钻 问题进行研究 。 为 了达到 节钻的 目的 ， 首先必须 确 切 地了解钻在高温 合金 中的 作用 。 因此 ， 近年 来 在钻对 高温 合金的组织 、 性能影响方面 已有 不 少的研究 〔卜 〕 。 大量研究结果表 明 钻对 高温合金 中存在的 相 都有影响 ， 合金 基体相的 成份 ， 丫产 相 、 碳化物相及 相的数量 、 成份 、 形貌 及形成 与 否都 与合金 含钻量有关 〕 。 由于钻和镍的 原子尺寸差异甚 微 。 因 此钻加 人基体 中而 引起 的 点阵强化是 很弱的 ， 但钻可显著降低合金的堆垛层错 能卿 。 当 然 ， 对于不 同的 合金 ， 钻的影响作用 也不尽相 同 。 本文 主 要 研 究 钻对 合金 显微组织的 影响 。 实验材料和实验内容 实验选用 合金 为基本合金 成份 ， 在此基础上 ， 金元素的含量 不变 ， 以镍取代 其 中的钻 ， 分别 制备得 。 ， 。 ， 同含钻量的合金 ， 其化学成份 列于表 中 。 合金采用 真空感应炉冶炼和真空 自耗重熔的双真空冶炼工艺 ， 锭 。 经热锻 、 热轧 成形得到巾 的 圆棒 。 合金的 热处理制 度为 炉冷 保持 原合金 中其它 合 和 四个不 浇注 成 必 钢 ℃ ， ， 油 冷 十 ℃ 一‘ ℃ ， 空 冷 。 用 作化学相分析的试样在 ℃ 增加 此的 时 效时 间 ， 以保证相 分析给 出的 结果尽可能接近 合金在 平衡状 态时的情况 。 主要实 验 内容 用 低倍金相 观察及计 算机程序控制 图象分析仪 作定 量 金相分 析 ， 测定不 同含钻量 合

表1不同含钻量Refractoloy26(Re26)合金成份 Table1 Chemical Composition of Alloys'(wt%) Element C 相 Mn Si Cr Co Mo Ti Ni Fe B Base ≤0.05<0.8 ∠1.0 1182.5 Alloy ≤0.252.5-3.035~39b81. 0.001 <0,03<0,93 20 23 3.5 0.01 0Co 0.0300.50 0.8617,66 3.20 0,27 2.58 bal· 16.30 C.0050,0010.904 <0.01 7Co 0.0350.52 0.8617,45 7,08 3.24 0.25 2,61 bal. 1e.480.0050.0040,004 0.01 14Co 0.030 0.500.8617.55113.95 3.26 0.25 2.55 bal. 16.30C.0050.0c40.004 0.01 20Co 0.0300,50 0.8617,45 20.07 3.34 0.23 2,61 bal,1c.29c,9050.0040.004K0.0 .The chemieal composition listed in table is obtained from the Chemical analyais result after vae uum induction melt. 金的品粒大小及其分布规律；用高倍金相观察分析Refraetoloy26合金的晶界形貌及碳 化物分布。 用化学相分析方法定量测定了不同含钴量合金中Y'析出相的数量和成份，碳化物的 析出量和成份，合金固溶基体的化学成份。 用X射线衍射分析方法对电解萃取的析出相作了定相分析，给出了析出相类型随合 金含钴量变化的定性分析结果。通过对衍射强度比的分析，半定量地给出了各类析出相 量随合金含钴量变化的关系。 用薄膜透射电镜测定了Y'相颗粒尺寸及间距随合金含钴量变化的关系。 用APD-10全自动X射线衍射仪精确测定了合金基体相和Y'相的点陈常数，电此得 到了合金含钴量与Y-Y'相点阵错配度之间的关系。 采用定量金相分析方法对合金在不同含结量和不同热处理制度下李品形成数量和 形貌特征作了研究分析。给出了合金中形成的李品总数及各类孪品形成量与合金钻量的 变化关系。 2实验结果 对四种不同含钴量Refractoloy26合金组织分析主要结果列于表2中。 2,1合金晶粒度 对四有i不同含钻量的Refractoloy26合金经工常团溶和时效处理后的金相组织进行 了观察，根据ASTM标准评定，合金的品粒度为4~5级。图1所示的是由定量金相 图象分析仪测定得到的不同含钴量合金的平均品粒直径和平均晶粒面积值。结果表明： 改变合金中的含钻量，对合金的晶粒大小没有明显影响。 字 2,2合金中的碳化物和μ相 图2是合金经正常固溶和时效处理后的高倍金帮组织。从中可以看到，随合金含钴 盘增加，合金中碳化物析出量明显减少，晶界碳化物的分布形式由低钴时的部分连续链 状分布变为高钻时的断续颗粒状分布。合金中品内析出的主要是颗粒状MC碳化物，晶界 上则主要是M2C6和M6C碳化物及部分MC碳化物。 61

表 不 同含枯 量 合 金 成份 ’ 泛花 ︸ ︸ 脚 ‘ 云 《 一厂二了 一 一 人 ‘ 画亚 全竺 ’ 刃 二。 · 。一 。 ‘ 一 。 。 竺 ，‘ 。 · 。 ， 。 · 。 。 。 一 一业 生生 一 一 卫坐二卫竺全 竺 竺 ” · “ “ · ， 半二竺 兰鲤坐 、 上 ·竺 “ ‘ “ ‘ “ ’ · ‘ · · 。 气缨· 。 亚…亚 望竺 卫竺 二卫竺三竺望 。 咬 。 一 一峪任弃‘ 一︸口，曰空 ︸叮‘一舀，流 ︸ 。 竺器一卜一。 器一竺﹃ 七一 么 口 ‘ 一 一 七 亡 叹 丘。 刀 垃。 之 金的 晶粒大 小及其分布规律， 用 高倍金相 观察分 析 合金的 爵界形 貌及 碳 化物分布 。 用 化学相分析方法定量测定 了不 同含钻量 合金 中， 析出相的数 量 和成份 ， 碳 化物的 析出量和 成份 ， 合金 固溶 基体的 化学成份 。 用 射线衍射分析方法对 电解萃取的析出相 作 了定相分析 ， 给 出 了 析 出相 类型随合 金含钻量变化的 定性分析结果 。 通过对衍射强 度 比的分析 ， 半定量 地给 出 了各 类析 出相 量随合金 含钻量变化的关 系 。 用 薄膜 透射电镜测定 了丫‘ 相颗粒尺 寸及 间距 随合金含钻量变 化的关 系 。 用 一 全 自动 射线 衍射仪精确测定 了合金 基体相和 洲 相 的 点阵常数 ， 由此得 到 了合金 含钻量 与 一 丫’ 相 点阵错配度 之 间的 关 系 。 采用 定量 金 相分析方法对 合金在不 同含钻量 和不 同热处 理 制度下孪 品形成的数 量和 形貌特征作 了研究分析 。 给 出了合金 中形成的 孪 晶总数 及各 类孪 品形成量 与合金钻量 的 变化关 系 。 实验结果 对 四种不 同含钻量 合金组织分 析主要结果 列于表 中 。 合金 晶粒度 对 四 科不 同含钻量的 合金红 正常 固溶索 时效处理 后的金相组 织进行 了观察 ， 根 据 标准评定 ， 合金的 晶粒 度为 级 。 图 所示的 是 由定量 金 相 图象分析仪测定得到的不 同含钻量合金的平均 晶粒直径和 平 均 晶粒面积值 。 结果 表 明 改 变合金 中的含钻量 ， 对 合金的 晶粒大小役 有 明显影响 。 合金 中的碳 化物 和“ 相 图 是 合金经正常 固溶和时效处理后的高倍金相组织 。 从 中可 以看到， 随合金 含钻 量增加 ， 合金 中碳 化物析 出量 明显减少 ， 晶界碳 化物的分布形式 由低钻时的部分连 续链 状分布变为 高钻 时的断续颗粒状分布 。 合 金 中晶内析 出的主要是颗 粒状 碳化物 ， 晶界 上则主要是 。 。 和 碳化物及部分 碳化物

时话：-01X) d mean 5 c 5 4 4 5 mean 3 2 口青 2 1 -41 10 20 wt%Co 图1钴对Refractoloy26合金晶粒度的影响. Fig.1 The effect of Co content on grain size and grain area. 化学相分析定量地给出了合金中碳化物析出量随合金含钴量的变化关系，其结果和 直接金相观察的结果是相符的，在表2所列的结果中也包括了少量的砌化物等其它微量 析出相。 表2钻含量对Refractoloy26合金组织结构的影响 Table 2 The effects of cobalt content on microstructures of Refractoloy26 alloys. Cobalt Gamma Prime phase Carbides et al Lattice mismatch content Weight Average Total Relative amount of diameter fraction Chemical formulas amoun t various carbides Ar ar/ WL of r/par- (wt究) (wt%) et al. (A) ticlo (A) (A) % 11.45 752 (Niz.8soFeoo6Cro.063) 0,55 CB>M。C>MC> M3B:>TiN 3.58083,58840.212 (Ti0.790A10188M00.014) (Niz.793Feo.08sCro.063 11,32 650 C0g058)(Ti0,830Al0178 0.51 MC>M2aC>MC >MsB:>TiN 3,58063.58930,243 M00917) (Nia,580Fe0058C:0·53 14 10.31 570 C00,14ojTi0…880A10,197 0,28 MC>MB2MC Mo0,019) >TiN>μ-phase 3,57963.58980.,285 GNia580F80·050Cr0045 20 10,19 465 C00w250Ti0◆880A10,175 0,25 MC>M:BI>MsC >4一Pha8e>TiN 3.57823.59000.331 1Mo00s1) Obtained from the X-ray diffraction intensity analysis of extracted phasos in alloya. 图3表示了进入合金碳化物中主要合金元素量随含钴量变化的关系。结果表明：提 高Refractoloy26合金中的含钴量使进人合金碳化物中的Mo,Cr,Ni等元素量减少，而 T的量略有增加。 对四个不同含钴量Refractoloy26合金中电解萃取的析出相X光定相衍射谱线示于 图4，图中选取了20在30~55°之间的部分衍射谱。根据x光衍射强度比分析，得到如 表2中所示的各析出相量随含钴量变化的半定量分析结果，这与图3中的变化关系是相 吻合的。 62

治一︶户﹄’叫认。叮 牢 ‘ 一 ‘ 俨－ ‘ ‘ 犷 － 仁 一 。 厂－ 。 － ， 卜 「曰坛 翻‘ 山 一 翻‘ 诗 也 ‘ 飞 “ ，啼 ︵。州。塑 睡 ， 口 一 卜 · 曰 含 目 叮 口沽盆 舒 匆 。 叫的璐门﹄。 图 钻对 合金晶粒度的影响 · ‘ · 化学相分析定量 地给 出 了合金 中碳 化物析 出量 随合金 含钻量 的 变化关 系 ， 其结果和 直 接金 相观察的结果 是 相 符的 ， 在表 所 列的结果 中也 包括 了少量的 硼 化物等 其它 微量 析 出相 。 表 钻 含 量对 合金 组 织 结 构 的影响 。 赢门少奥马…三三二下二 ’ ‘ 一 铁 亘 口 门 ， 心 ， 户 一 ， 一 ， ， 七 ‘ 里皿 往 二 吕 月护 奋 护 一 ， “ 冲 ， ， ， 协 气 ‘ 为 ， 一。 扭 忆口 吐 ， 形 、 … 一 犷赞， 贾 ， 竺》 不斗十寸 拓 一竺 一 一 兰 竺 一 二兰…竺 一生 一 …兰…卫 … ’ ’ ‘ ‘ 了 马 告 。 ‘ 。 名 。 。 。 。 ‘ 。 呀 。 。 。 一 。 ‘ 口 。 。 。 。 ， 。 ， 。 ， 。 货会界扩 ” ， · 铭。 一 。 竺 。 舔梦劣犷 ‘ ’ 。 一 一 。 一 协一 卜 。 。 。 。 卜一 。 。 一 一 了 了一。 图 表示 了进入合金碳化物 中主要合金 元素量 随含钻量 变化的关 系 。 结果 表 明 提 高 合金 中的 含钻量 使进人合金碳 化物 中的 。 ， ， 等元素量减少 ， 而 的量略有增加 。 对 四 个不同含钻量 合金 中电解萃取 的析 出相 光定 相衍射谱 线示 于 图 ， 图 中选取 了 在 。 之 间的部分衍射谱 。 根 据 光衍射强 度 比分析 ， 得 到 如 表 中所示的 各析 出相量 随含钻量 变化的半定量 分析结果 ， 这与 图 中的 变化关 系是棍 吻 合的

(D) (c) (d) 图2不同含钴量丑。fraatoloy.26合金核倍金相组织。 Fig-2 High magnifying optieal mierograpbs of Re26 alloys after 1080C/11h,OC-+816C/20h FC++732C/20h,AC.(a)OCo (b)7Co (e)14Co (d)20Co x500 Etehant:HCI) (92%)+H:S04(5%)十HN0a(3%) 0.2 ! 0. Ni Fe 至 10 20 wt%Co 图3钻对Rofractoloy28合金中碳化物成份的影响. ig.3 Effeet of Co on the composition of carbides in Re26 63

尸心 、 们卜 ‘ 、 、 、 鬃薰黝囊 图 不同含钻 ‘ “ 场 哪食金秘 金相组织 · 奋 叭 由口 · 亩 卜 名 泣。 ℃ ‘ ，人 ‘ 。 通 《 蛇终 对 一 ‘ 男， 扮 。 拓 ， ，‘ 妙萝 乒 ‘ ， ‘ 策纬。 。 书 、 一 一 ℃ ‘ 一 十尽 七 胀纂戴黔断黝醒眠髓颧黔颤缈爵 自味。 丸衬次闰弓衬。 。日璐山。 、 卜 ， 卜 了物 乞 五‘ 。 图 钻对皿 ” 合金中碳化物成份的影响 介加 妞 几 礴 一获‘ 。 一 ‘ 一 ‘ 韶