D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1999.03.010 第21卷第3期 北京科技大学学报 Vol.21 No.3 1999年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing June 1999 细晶铸造N718C合金显微组织 对持久性能的影响 马岳”胡尧和”谢锡善)孙家华”赵京晨) 1)北京科技大学材料科学与工程学院，北京1000832)冶金部钢铁研究总院，北京100081 摘要探讨了晶粒度为ASTM3~5级的细晶铸造N718C合金的显微组织对持久性能的 影响.通过分析细晶材料的持久断口和显微组织，发现该合金与普通铸造材料不同的是：细晶 材料的持久断裂主要为沿晶断裂形式，其碳化物、Laves相和6相主要分布在晶界：细晶材料在 不同铸态枝晶组织中晶界上碳化物和Laves相都有降低材料持久性能的倾向. 关键词细晶铸造：微观组织：持久性能 分类号TG115.57 高温合金的细晶铸造工艺技术已在航空发 650℃，应力650MPa在持久试验机上进行持久 动机上得到一定的应用)，然而有关细晶铸造 试验.显微组织在光学显微镜，SEM,EDAX和 (特别是晶粒度为ASTM3~5级)的凝固过程， 定量金相分析仪上进行分析. 傲观组织和力学性能之间的关系研究甚少，由 于细晶铸造比普通铸造晶粒明显细化，因而析 2试验结果 出相组织有一定的差别，对性能的影响也不相 2.1晶粒组织 同.为了进一步掌握细晶铸造工艺技术，有效地 按细晶铸造工艺A和B所得的结果见图1 控制合金材料的组织，满足航空发动机日益发 和表1. 展的性能要求”，本文详细探讨了细晶铸造 表1细晶铸造的组织及持久性能 N718C合金的微观组织对力学性能的影响规 律 工艺A 工艺B 组织与性能 1 2 3 1试验方法 晶粒直径mm0.060 0.069 0.0620.0580.098 ASTM 5.0 4.5 4.55.0 5.03.5-4.0 在改装的10kg真空感应炉上，熔化的 形貌特征参数F0.0430.0490.0520.1100.180 N718母合金成分（质量分数%）为：C-0.042.Cr 晶内析出相%0.0120.0200.0060.0320.012 -18.46,Nb-5.14,Ti-0.96,A1-0.15,Mo-2.87, 晶Laves相%0.06 0.020.131.06 0.37 碳化物%1.060210.25 0.87 0.15 Fe-19.1,Ni-53.12.采用细晶铸造工艺A和细 界 8相%0.780.100.34 3.74 1.77 晶铸造工艺B,通过调整工艺参数，分别浇铸试 持久寿命/h107.08234.58236.5044.90342.70 样1,2,3,4,5共5炉.所有测定力学性能的试样均 延伸率%4.244.004.326.403.68 按下列制度进行热处理： 断i收缩*/%6.277.037.0310.097.46 HIP 1120℃/3.5h/103MPa; 注：I)表中为经过HP+标准热处理的组织，析出相均为面 均匀化1095℃/1h+GFC; 积分数：2)持久性能试验条件为650℃，650MPa 固溶处理950℃/1h+GFC; 本试验中试样的晶粒尺寸均为ASTM3.5~5 时效处理750℃/8h冷却速度为55℃h 级，经HIP热处理后，试样的晶粒尺寸基本不 至650℃/8h+GFC. 变.晶粒尺寸由IAS-4通用金相图像分析仪定 根据ASTME139加工成的标准试样以温度 量分析的结果见表1.由表可见，晶粒直径为 1998-07-23收稿马岳女，35岁，讲师，博士 0.0580.098mm,晶粒度为ASTM3-5级
第 21 卷 第 3 期 一, 9 9 年 6 月 北 京 科 技 大 学 学 报 OJ u r n a l o f U n iv e sr i yt o f S e i e n e e a n d eT c h n o l o gy B e ij i n g V 0 1 一 2 1 J U n e N 0 . 3 19 9 9 细 晶 铸 造 IN 71 S C 合金 显 微组 织 对持 久 性 能 的影 响 马 岳 ” 胡 尧和 ` , 谢锡善 ” 1)北 京科技 大学材料科学与工 程学 院 , 北京 10 0 0 83 孙 家华 ” 赵 京晨 2 , 2) 冶金 部钢铁研 究 总院 , 北京 10 0 0 81 摘 要 探讨 了 晶粒度 为 A ST M 3 一 5 级 的细 晶铸造 NI 71 8 C 合金 的显微 组织 对持 久性 能 的 影 响 . 通过分 析细 晶材料 的持 久断 口 和显微 组织 , 发 现该合 金与 普通 铸造材 料 不 同的是 : 细 晶 材 料 的持久 断裂主 要 为沿 晶断裂 形式 , 其碳 化物 、 L va es 相 和咨相主 要分布 在 晶界 : 细 晶 材料在 不 同铸 态枝 晶组织 中 晶界上 碳化物 和 L va es 相都 有 降低 材 料持久 性能 的倾 向 . 关键 词 细 晶铸造 : 微观 组织 ; 持 久性能 分 类号 T G 1 1 5 . 57 高温合金的细 晶铸造工 艺 技术 已 在航空发 动机上 得到一定 的应用 `团 , 然而有关细 晶铸造 (特别 是 晶粒度 为 A S T M 3 一 5 级)的凝固 过程 , 微 观组织和 力学性 能之 间的关系研究甚少 . 由 于 细 晶 铸造 比普通铸造 晶 粒明 显 细 化 , 因而 析 出 相 组织有一 定 的差 别 , 对性 能 的影 响也 不 相 同 . 为 了进一 步掌握细 晶铸造工 艺技术 , 有效地 控 制合金 材料 的组 织 , 满足航 空 发 动 机 日益 发 展 的性能要 求 `卜 7 1 , 本文 详细 探讨 了 细 晶铸造 则 7 18 C 合金 的微 观组 织 对力学 性 能的 影 响规 律 . 65 0 ℃ , 应力 6 5 0 M P a 在 持久试验机上进行持久 试验 . 显 微 组 织在光学 显 微 镜 , S E M , E D A X 和 定量金 相分析仪上 进行 分析 . 2 试验 结 果 .2 1 晶粒组 织 按 细 晶 铸造工 艺 A 和 B 所得 的结 果 见 图 ] 和 表 1 . 表 1 细 晶铸 造 的组织 及持 久性 能 组织 与性能 工艺 A 工艺 B 1 2 3 4 5 1 试 验 方 法 在 改 装 的 10 比 真 空 感 应 炉 上 , 熔 化 的 州7 18 母合金成分(质量分 数/% )为 : C 一 0 . 0 42 , Cr 一 1 8 . 4 6 , N b 一 5 . 1 4 , T i一 0 . 9 6 , A I一 0 . 15 , M o 一 2 . 8 7 , eF 一 19 . 1 , N i 一 5 3 . 12 . 采用 细 晶铸造 工 艺 A 和 细 晶铸 造工 艺 B , 通过调 整工 艺 参数 , 分别浇铸试 样 1 , 2, 3 , 4, 5共 5炉 . 所 有测 定力学性 能的试样均 按下 列制度进行 热处 理 : H IP 1 12 0 ℃ / 3 . 5 h / 10 3 M Pa ; 均匀化 10 9 5 oC /l h + G F C ; 固溶处 理 95 0 ℃ l/ h + G F;C 时效处 理 7 50 ℃ / s h 冷却速度 为 5 ℃小 至 6 5 0 ℃ /s h + G F C . 根据 A S TM E 13 9加工 成 的标准试样 以温度 19 9 8 一 0 7 一 2 3 收稿 马岳 女 , 35 岁 , 讲 师 , 博士 晶粒直径 / m m A S T M 形貌特征参数F 晶内析出相 o/ 0 . 0 6 0 0 . 0 6 9 0 . 0 5 8 5 . 0 4 . 5 0 . 0 4 3 0 . 0 4 9 0 . 0 9 8 3 . 5 ~ 4 . 0 0 . 0 12 L va e s 相/% 0 . 0 6 碳化物o/ 1 . 06 占相O/ 0 . 7 8 0 . 0 2 0 0 . 0 2 0 . 2 1 0 . 0 6 2 4 . 5 ~ 5 . 0 0 . 0 5 2 0 . 0 0 6 0 . 1 8 0 0 . 0 1 2 0 . 1 3 0 . 2 5 0 3 7 0 . 1 5 0 . 10 0 . 3 4 界晶 持久寿命h/ 10 7 . 0 8 2 3 4 . 5 8 2 3 6 . 5 0 延伸率机 4 . 24 4 . 0 0 4 . 32 断面收缩率o/ .6 27 .7 03 .7 03 0 . 1 1 0 0 . 0 3 2 1 . 0 6 0 . 8 7 3 . 7 4 4 4 . 9 0 6 . 4 0 1 0 . 0 9 3 4 2 7 0 3 . 6 8 注 : l) 表中为经过 IH P + 标准热处理的组织 , 析出相均为面 积分数 : 2) 持 久性能试验条件为 65 0 ℃ , 6 50 M P a . 本 试验 中试样 的 晶粒尺 寸均 为 A S T M 3 . 5一 5 级 , 经 H IP 热处 理 后 , 试 样的晶 粒尺 寸基本不 变 . 晶 粒尺 寸 由 认 S 一 4 通用 金 相 图 像分 析仪定 量 分析 的结 果 见 表 1 . 由表 可 见 , 晶 粒直 径为 0 . 0 5 8一0 . 0 9 8 m m , 晶 粒度为 A S T M 3 一5 级 . DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1999. 03. 010
·252· 北京科技大学学报 1999年第3期 100m 200的 图1细晶镇造N718C合金的属粒组织和枝晶组织 ,:分别为采用工艺A所得试样1的器粒组织和技昌组织 d,b分别为采用工艺B所得试样5的晶粒组织和枝晶组织 22铸态枝晶组织 树枝细晶和粒状细晶组织中，析出相有较大差 为了定量地描述枝晶的形貌，引入枝晶形 别.树枝状细晶组织中，Laves相和6相的含量 貌特征参数F=枝晶表面积/枝晶体积（枝晶 均高于粒状细晶组织，树枝细晶的试样4组织 臂以圆柱体计算).F愈大，表明铸态枝晶愈发 中Laves相和6相含量最多，试样5的组织中 达，趋向于树枝晶形态：相反F愈小，铸态枝晶 Lavs相和5相的含量比粒状细晶多，碳化物含 愈不发达，趋向于粒状晶形态.F的测定结果列 量最少：粒状细晶试样1组织中的碳化物数量 入表1.采用细晶铸造工艺B获得试样5的铸态 最多，1aves相和6相数量较少：试样2和3的 枝晶，其形貌特征参数F>01,图1d显示为发 Laves相，6相和碳化物含量均较少 达树枝晶形态，称为树枝细晶组织，采用细晶 4 粒状细晶 刺技状细晶 铸造工艺A获得的铸态枝晶，其形貌特征参数 是 ☐碳化物 F<0.L,图1c显示出团絮状的枝晶形貌，称为粒 Lavs相 状细晶组织。 ☑De恤相 23析出相组织 。。晶内析出相 不同的铸态枝晶组织进行相同制度的热处 理后，组织中保持较大的“遗传”效应，但初始铸 造条件不同的试样经HP和热处理后其组织仍 然有差别.图2为细晶铸造显微组织的析出相 的数量. 0 2 3 4 由图2和表1看出：(1)细晶试样的laves相、 试样 6相和碳化物主要位于晶界上，晶内的数量很 图2细愚铸造N718C合金组织中的谭化物， 少仅为0.006%~0.032%：(2)在不同的铸态技晶- LaV相和6相的含量质量分
VoL21 No.3 马岳等：细品铸造N?18C合金显徽组织对持久性能的影响 ·253 2.4~持久性能 试验中持久寿命最长的试样5为铸态树枝 图3为细晶铸造合金的持久性能， 状组织，其晶界上6相，Laves相含量较多，碳化 由图3看出：试样的显徽组织和析出相不 物含量最少：持久寿命最短的试样4也为铸态 同时，持久性能不同.树枝细晶试样5的持久寿 树枝状晶组织，其晶界上Laves相，6相含量最 命的值最高，延伸率较低.试样4的持久寿命最 多，碳化物含量也较多.在粒状细晶试样中，持 低，延伸率较高：粒状细晶试样2、试样3的持久 久寿命较长的试样2和3，晶界上6相、Laves相 卷命较试样1高，延伸率相差不大 碳化物含量都较少.持久寿命较短的试样1，晶 界上碳化物最多，6相数量较多，Laves相数量 400 位状细昌 树技状细格 较少， 650℃，650MP 图5为细晶试样持久断口的纵剖面金相 一口持久海命 300 ☐菇伸率 30 图，进一步分析细晶试样持久断口的纵剖面金 是 相 相图发现，具有树枝细晶组织的试样其断口周 图区域萌生的微裂纹较少，试样5几乎没有.具 有粒状细晶组织的试样其断口周围区域萌生的 微裂纹较多，以试样1最多. 100 2 3 试样 图3细晶铸造NT18C合金的持久性能 3结果讨论 图4为试样持久断口的SEM照片.分析表 明：细晶铸造试样持久断口与普通铸造的有明 显不同，它表现出完全是沿晶断裂特征.由此可 知，细晶铸造材料的晶界状态是影响材料持久 I阅 性能的关健因素.下面士要讨论品界上的析出 图5细晶铸造持久断口纵制面金相图 相 。粒状细晶（试样1，b树枝细品（试样） 以上分析表明，树技细晶组织在中温蟠变 过程中，不易产生微裂纹，尤其是晶界上碳化物 含量较少时，几乎无裂纹源产生，具有这种组织 特征的细晶材料持久寿命很长.但是一旦晶界 存在裂纹源，同时晶界上.Laves相数量较多时 裂纹沿晶界迅速扩展很快断裂，具有这种组织 特征的细晶材料持久寿命很短.粒状细晶组织 在中温媚变过程中，易产生微裂纹.尤其是晶界 上碳化物数量较多时，晶界上裂纹源较多，但是 晶界上脆性Laves相较少时，裂纹沿晶界扩展 较慢，有较长的持久寿命， 综上所述，从材料微观组织观点来看，改善 细晶铸造N718C合金持久性能的主要措施是 尽量减少晶界上裂纹源产生和减少晶界上脆性 图4细黑铸造试样的持久断口形貌 。粒状细晶，b树枝细晶 有害相的数量
·254 北京科技大学学报 1999年第3期 ations.USA:TMS,1989.319 4结论 2 Bringar J R,Norris L F,Rozenberg L.Microcast-X Fine Grain Cast-A Progress Report.In:Gell M,et al,eds. (l)细晶铸造N718C合金中Laves相、6相 Superalloys.USA:TMS,1984.232 和碳化物主要分布在晶界上，对材料持久性能 3 Mihael W.Howard Benson.Development of A Conven- 有较大影响. tional Fine Grain Casting Process.In:Gell M,et al,eds. (2)在650℃，650MPa蠕变过程中，树枝细 Superalloys.USA:TMS,1984.32 4 Jones A H.An Overview of Alloy 718 in Large Structure 晶组织中晶界上微裂纹较少，尤其是晶界上碳 Castings.In:Loria EA,ed.Superalloy 718-Metallurgy 化物数量较少时，几乎无微裂纹产生，持久寿命 and Applications.USA:TMS,1989.307 很长.晶界上碳化物数量较多时，有少量微裂纹 5 Ewing BA,Green K A.Polycrystalline Grain Controlled 存在，同时晶界上脆性相较多时，裂纹沿晶界迅 Castings For Rotating Compressor and Turbine Compon- 速扩展，导致断裂，持久寿命很短.粒状细晶组 ents.In:Gell M et al,eds.Superalloys.USA:TMS, 1984.332 织中晶界上微裂纹较多，尤其是晶界上碳化物 6 Chang D A,Nasser-Rafi R,Robertson S L.Mechanical 数量较多时，微裂纹很多，持久寿命相对较短. Properties of Controlled Grain Structure (CGS)Alloy 晶界上碳化物数量较少时，微裂纹较少，持久寿 718.In:Loria EA,ed.Superalloy 718,625,706 and Vari- 命相对较高， ous Derivatives.USA:TMS,1991.271 7 Liang X,Zhang R,Yang Y.An Investigation of The 参考文献 Homogenization andDeformation of Alloy 718 Ingots. 1 Bouse G K,Behrendt M R.Mechanical Properties of In:Loria E A,ed.Superalloy718,625,706 and Various Microcast-X Alloy 718 Fine Grain Investment Castings. Derivatives.USA:TMS,1994.947 In:Loria E A,ed.Superalloy 718-Metallurgy and Applic- Effect of Microstructure on Stress Rupture Property in Fine Grain Cast Inconel 718 Alloy Ma Yue,Hu Yaohe,Xie Xishan",Sun Jiahua.Zhao Jingchen 1)Material Science and Engineering School,UST Beijing,Beijing 100083,China 2)Central Iron&Steel Research Institute,Beijing 100083.China ABSTRACT The effect of microstructure on stress rupture property in fine cast IN 718 alloy having grain size of ASTM 3~5 has been investigated.Intergranular fracture as a main kind of creep fracture,and most of Laves phase,6 phase and carbides positioning in grain boundary in fine grain cast material have been found by analyzing the stress rupture fractograph and microstructure.The test results has exprienced that carbides and Laves phase in grain boundary will cause reducation of stress rupture properties. KEY WORDS fine grain cast;microstructure;stress rupture property
一 2 5 4 - 北 京 科 技 大 学 学 报 1 9 9 9 年 第 3 期 4 结论 ( l ) 细 晶 铸造 州7 1 8 C 合 金 中 L a v e S 相 、 咨相 和 碳化物 主 要 分布在 晶 界 卜 , 对 材料 持久 性能 有较大影 响 . ( 2 )在 6 5 0 0C , 6 5 0 M p a 蠕变过 程 中 , 树枝细 晶 组 织 中晶 界 上 微裂 纹较少 , 尤其 是 晶界 L碳 化物数量较少 时 , 几乎 无微裂 纹产生 , 持久 寿命 很长 . 晶界 上碳化物数量 较 多时 , 有少 量 微裂纹 存在 , 同 时 晶 界上 脆性相 较 多时 , 裂纹沿晶 界迅 速扩展 , 导 致断 裂 , 持久 寿命很 短 . 粒状细 晶 组 织 中晶 界 上 微裂 纹较多 , 尤其 是 晶 界 上 碳 化物 数量较 多时 , 微裂 纹很 多 , 持 久 寿命 相 对 较短 . 晶界 上碳化物数量较少 时 , 微裂 纹较 少 , 持久 寿 命相 对 较高 . 参 考 文 献 1 B o u s e G K , B e hr e n dt M R . M e c h an i e a l P r o P e rt i e s o f M i e r o e a s t 一 X A ll o y 7 1 8 F i n e G r a i n I n v e s t m e n t C a s ti n g s . I n : L o r i a E A , e d . S u P e r a ll o y 7 1 8 一 M e t a ll u gyr a n d A P Pli e - a t i o n s . U SA : T M S , 19 8 9 . 3 19 2 B ir n g ar J R , N o r i s L F, oR z e n b e电 L . M i c or c as t 一 X Fin e G r a i n C as t 一 A P r o g r e s s Re P o rt . I n : G e l l M , et a l , e d s . S u P e ar l l o y s . U S A : T M S , 19 8 4 . 2 3 2 3 M i h ae l W, Ho w ar d B e n s o n . D e v e l o Pm e in o f A C o vn e n - ti o n a l Fi n e Gar i n C as t i n g Por e e s s . nI : G e ll M , et a l , e ds . S u P e r a l l o y s . U S A : T M S , 19 8 4 . 3 2 4 J o n e s A H . A n O v e vr i e w o f A ll o y 7 l 8 i n L ar g e S trU c ut r e C a s ti n g s . I n : L o ir a E A , e d . SuP e ar ll o y 7 18 一 M e at ll u gr y an d A PP li e at i o n s . U SA : T M S , 19 8 9 . 3 0 7 5 E w i ng B A , G er e n K A . P o ly e yr s alt lin e G ar i n C o n tr o l l e d C as ti n g s F o r OR at in g C o m Per s s o r an d T ur b ine C o m po n - e n st . In : G e ll M e t a l , e ds . S u pe ’Ial lOy s . U SA : T M S , 1 9 8 4 . 3 3 2 6 C h an g D A , N as s e -r aR if 民 oR b e srt on S L . M e c han i cal p or P e rt i e s o f C o n otr ll e d G r a i n S枉u c t ur e (C G S ) A ll叮 7 1 8 . I n : L o ir a E A , e d . S u P e ar lloy 7 1 8 , 6 2 5 , 7 0 6 an d V ar i - o u s D e ir v at i v e s . U SA : T M S , 1 9 9 1 . 2 7 1 7 L ian g X , Z h an g 民 Y山l g .y nA l n v e ist g iat o n o f Th e H o m o g e n i atZ i o n an dD e fo mr at i o n o f A ll o y 7 18 I n g o st . I n : L ior a E A , e d . S u pe ar l loy 7 18 , 6 2 5 , 7 0 6 an d V台r 1 0 us D e ir v at i v e s . U SA : T M S , 1 9 9 4 . 9 4 7 E fe e t o f M i e r o s t r u e uft e o n S tr e s s R u Put r e P r o P e yrt i n F i n e G r a i n C a s t I n e o n e l 7 1 8 A ll o y 人匆 uY e , , , uH aY o h e , ), iX e iX s h a n ,气 uS n iaj h u 矿, , hZ a o ij n gc h e n , , l ) M at e ir a l S e i e n e e an d E n g i n e e ir n g S e h o o l , U S T B e ij i n g , B e ij in g 1 0 00 8 3 , C h i n a 2 ) C e n tr a l I r o n & S t e e l R e s e ar e h I n s titu t e , B e ij i n g 10 00 8 3 , C h in a A B S T R A C T T h e e fe e t o f m i e r o s trU e trU e o n s tr e s s rU P trU e P r o P e rty i n if n e e a s t IN 7 18 a l l o y h aV i n g gr a in s i z e o f A S T M 3一 5 h a s b e e n i n v e s t i g a t e d . I n t e gr a n u lar fr a e trU e a s a m a i n ik n d o f e re e P 加 e trU e , an d m o s t o f L a v e s P h a s e , 占 Ph a s e an d e a br id e s P o s iti o n i n g in gr a in b o un d a yr in if n e gr a in c a s t m aet ir a l h a v e be e n fo un d 勿 an a ly z i n g ht e s tr e s s nr P tUr e fr a e t o gr a Ph a n d m i e r o s trU e h ir e . hT e t e st r e s u lt s h a s e x Pir e n e e d t h a t c ar b ide s an d L a v e s Ph a s e i n gr a i n b o un d a yr w ill e a u s e r e du c a t i o n o f s tr e s s ur P tUr e Pr o P e rt i e s . K E Y WO R D S if n e gr a i n c a s t : m i e r o s trU e tUr e : s etr s s ur P tUr e P r o Pe yrt