工程科学学报，第41卷，第3期：359-367,2019年3月 Chinese Journal of Engineering,Vol.41,No.3:359-367,March 2019 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2019.03.009:http://journals.ustb.edu.cn 钴基高温合金GH5605铸态组织及高温扩散退火过程 中元素再分配 刘 超”，江河)四，董建新”，章清泉) 1)北京科技大学材料科学与工程学院，北京1000832)北京首钢冶金研究院，北京100192 ☒通信作者，E-mail:jianghel7@sina.cm 摘要利用光学显微镜(OM)、场发射扫描电子显微镜(FESEM)、能谱分析(EDS)并结合热力学及动力学计算结果对采用 真空感应熔炼和电渣重熔二联工艺生产的GH5605合金电渣锭的枝晶形貌、元素偏析和析出相进行分析.探索了合金的高温 扩散退火制度并结合差示扫描量热仪(DSC)和热压缩模拟实验分析高温扩散退火前后的合金特征.结果表明：GH56O5合金 中的枝晶和元素偏析情况较轻，主要偏析元素是C和W并在枝晶间处偏聚，电渣锭中的主要析出相包括奥氏体、晶界MC6 以及晶内和晶界处的奥氏体与M,C。板条状共晶相.经12I0℃/8h扩散退火处理后枝晶和元素偏析基本消除，共晶相基本 回溶. 关键词钴基高温合金：偏析：枝晶：共晶：高温扩散退火 分类号TG146.1 As-cast microstructure and redistribution of elements in high-temperature diffusion an- nealing in cobalt-base superalloy GH5605 LIU Chao”,JIANG He)a,DONG Jian--in”,ZHANG Qing-guan2》 1)School of Materials Science and Technology,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Beijing Beiye Functional Materials Corporation,Beijing 100192,China Corresponding author,E-mail:jinghel7@sina.cn ABSTRACT The dendritic morphology,elements segregation index,precipitates morphology,and precipitates types in GH5605 in- got produced by vacuum induction melting and electroslag remelting were investigated by using optical microscopy (OM),field-emis- sion scanning electron microscopy (FESEM),energy-dispersive X-ay spectroscopy (EDS)spectrum analysis and the results of ther- modynamic and kinetic calculations by Thermal-Calc and JMatPro sofeware.To study the effects of high-temperature diffusion annealing on GH5605 ingot,the annealing system was investigated and the microstructure and macrostructure characteristics of GH5605 ingot were analyzed before and after the diffusion annealing by differential scanning calorimetry (DSC)and thermal compression simulation tests in Gleeble 3800 test machine.In the OM results,dendrites are not obvious,and secondary dendritic arms cannot be distinguished in the GH5605 surface but they are gradually clearer toward the center area.The EDS results show that element segregation index is comparably small in GH5605 ingot:every element segregation index is in the range of 0.9-1.4 which is not as large as those of nickel- based superalloy.The main segregating elements during solidification are Cr and W which mainly segregate in the dendritic regions. According to the FESEM results,the precipitate phases include austenite and grain boundary carbide M2C and because of the Cr and W segregation at dendritic arms,an unexpected eutectic phase comprising austenite and MaC appears,and the alternating lamellae of austentite and MCs develop a lathlike morphology.Different macrostructure and microstructure characteristics including the morpholo- 收稿日期：20180203 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51571012)：中央高校基本业务费资助项目(2017YFB0305201)
工程科学学报，第 41 卷，第 3 期: 359--367，2019 年 3 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 41，No． 3: 359--367，March 2019 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2019． 03． 009; http: / /journals． ustb． edu． cn 钴基高温合金 GH5605 铸态组织及高温扩散退火过程 中元素再分配 刘 超1) ，江 河1) ，董建新1) ，章清泉2) 1) 北京科技大学材料科学与工程学院，北京 100083 2) 北京首钢冶金研究院，北京 100192 通信作者，E-mail: jianghe17@ sina． cn 摘 要 利用光学显微镜( OM) 、场发射扫描电子显微镜( FESEM) 、能谱分析( EDS) 并结合热力学及动力学计算结果对采用 真空感应熔炼和电渣重熔二联工艺生产的 GH5605 合金电渣锭的枝晶形貌、元素偏析和析出相进行分析． 探索了合金的高温 扩散退火制度并结合差示扫描量热仪( DSC) 和热压缩模拟实验分析高温扩散退火前后的合金特征． 结果表明: GH5605 合金 中的枝晶和元素偏析情况较轻，主要偏析元素是 Cr 和 W 并在枝晶间处偏聚，电渣锭中的主要析出相包括奥氏体、晶界 M23C6 以及晶内和晶界处的奥氏体与 M23C6板条状共晶相． 经 1210 ℃ /8 h 扩散退火处理后枝晶和元素偏析基本消除，共晶相基本 回溶． 关键词 钴基高温合金; 偏析; 枝晶; 共晶; 高温扩散退火 分类号 TG146. 1 收稿日期: 2018--02--03 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 51571012) ; 中央高校基本业务费资助项目( 2017YFB0305201) As-cast microstructure and redistribution of elements in high-temperature diffusion annealing in cobalt-base superalloy GH5605 LIU Chao1) ，JIANG He1) ，DONG Jian-xin1) ，ZHANG Qing-quan2) 1) School of Materials Science and Technology，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) Beijing Beiye Functional Materials Corporation，Beijing 100192，China Corresponding author，E-mail: jinghe17@ sina． cn ABSTＲACT The dendritic morphology，elements segregation index，precipitates morphology，and precipitates types in GH5605 ingot produced by vacuum induction melting and electroslag remelting were investigated by using optical microscopy ( OM) ，field-emission scanning electron microscopy ( FESEM) ，energy-dispersive X-ray spectroscopy ( EDS) spectrum analysis and the results of thermodynamic and kinetic calculations by Thermal-Calc and JMatPro sofeware． To study the effects of high-temperature diffusion annealing on GH5605 ingot，the annealing system was investigated and the microstructure and macrostructure characteristics of GH5605 ingot were analyzed before and after the diffusion annealing by differential scanning calorimetry ( DSC) and thermal compression simulation tests in Gleeble 3800 test machine． In the OM results，dendrites are not obvious，and secondary dendritic arms cannot be distinguished in the GH5605 surface but they are gradually clearer toward the center area． The EDS results show that element segregation index is comparably small in GH5605 ingot; every element segregation index is in the range of 0. 9--1. 4 which is not as large as those of nickelbased superalloy． The main segregating elements during solidification are Cr and W which mainly segregate in the dendritic regions． According to the FESEM results，the precipitate phases include austenite and grain boundary carbide M2 3C6 and because of the Cr and W segregation at dendritic arms，an unexpected eutectic phase comprising austenite and M23C6 appears，and the alternating lamellae of austentite and M23C6 develop a lathlike morphology． Different macrostructure and microstructure characteristics including the morpholo-
·360· 工程科学学报，第41卷，第3期 gy of dendritic,elements segregation index,grain size,morphology and the amount of eutectic phase were analyzed and compared in different annealing times.The high-temperature diffusion annealing system is optimal at 1210 C/8h,at which the dendrites and ele- mental segregation are substantially eliminated,and the eutectic phase is almost dissolved. KEY WORDS cobalt-base superalloy:segregation:dendritic:eutectic:high temperature diffusion annealing 钴基高温合金在高温下具有优良的稳定性和更 合金的性能及组织演变的研究报道很多，但是关于 高的强度，因此广泛应用于航空发动机的涡轮叶片 其铸态组织中的元素偏析行为、析出相种类和形貌 及内部的导向叶片)，同时在生物医学领域也受到 以及高温扩散退火过程中的元素再分配规律等却鲜 广泛关注P-.GH5605是Co-Cr-Ni基固溶强化型 有报道，因此本文针对双联工艺生产的GH5605合 变形高温合金，使用温度在1000℃以下，合金在815 金电渣锭进行研究，分析其组织特点、元素偏析和析 ℃以下具有中等的持久和蠕变强度，在1090℃以下 出相，并结合软件计算结果和差示扫描量热仪与热 具有优良的抗氧化性能，同时具有较好的加工和焊 压缩模拟实验结果分析高温扩散退火处理的合金 接等工艺性能，国外与该合金成分相近的合金牌号 特征 是L605、HS25及W℉-11等.碳化物是钴基高温 1 实验材料与方法 合金的重要强化相，碳化物的形态和特点对其机械 性能和结构稳定性发挥着重要作用，铸态钴基高温 本实验所用电渣锭采用真空感应熔炼加电渣重熔 合金中含有多种碳化物，G等-)研究了某钴基高 二联工艺熔炼，在243mm的电渣锭锭头切取35mm 温合金中碳化物的转变行为，发现由于碳化物与基 厚的圆片进行铸态组织分析及高温扩散退火实验研 体的共格关系，M2aC6(M主要为C和W)在M,C, 究，合金成分如表1所示.将圆片对半切开后，用60l 与基体的界面形核并向M,C,生长.KoBmann等o HNO +200mL HCI +50g FeCl +30g NH(SO)2+50 研究ERBOC09W钴基高温合金的偏析行为和析出 mLH,0的混合溶液进行低倍侵蚀，分别从外缘、1/ 2半径和心部3处切取20mm×15mm×10mm块， 相并与其他3种高温合金比较，构建微观结构特征 用金相砂纸将横截面和纵截面打磨至2000°后进行 和相稳定性的模型.而热加工性能的研究则集中于 再结晶及晶粒长大行为，Keyvani等回利用激光超声 机械抛光，用1 g CuCl2+10 nL HCI+10mLC2HOH 的混合溶液侵蚀后在光镜下观察金相组织.用体积 治金技术原位观察L605再结晶过程中平均晶粒尺 分数20%H,S0,+80%CH,OH混合溶液电解抛光 寸的演变过程和热处理过程中的晶粒长大现象，表 后，在扫描电镜下观察析出相形貌，利用能谱仪分析 明该技术有利于优化热加工参数，满足特定需要. 微区和析出相成分，对析出相进行鉴定，所有测量过 Chiba等利用超速退火法研究L6O5合金冷加工样 程均采用10个样本并取平均值作为最终结果.对 品的静态再结晶过程中晶粒细化和粗化问题，发现 电渣锭不同部位的小试样在箱式电阻炉内进行高温 晶粒生长的动力学特征和最初的变形状态无关，并 扩散退火，退火温度为1210℃，保温4、8和12h后 且通过减少退火时间可以获得细化的微观结构， 进行金相组织观察和析出相分析. 同时他们利用平均场模型结合逆向工程法构建出了 L605合金的动态再结晶模型回.Kumar等通过 表1GH5605合金化学成分（质量分数） Table 1 Main chemical composition of GH5605 superalloy 热等静压实验研究了Co20Cr15W10Ni在1323~ Cr Mn Fe Ni W Co 1523K的热加工性能和组织控制方法. 0.09 19.751.552.4010.3614.65余量 Favre等固研究了一种在生物体内使用的Co一 Cr一W-Fe合金中的不同Cr、W、Fe含量下的合金相 将铸态和1210℃/8h后的合金加工成中10mm× 图及其在1250℃下均匀化12h后的组织.Favre l5mm的圆柱试样，并在Gleeble3800试验机上进行 等0在L605钴基合金的基础上开发了一种新型钴 等温压缩热模拟实验，分析高温扩散退火合金特征. 基高温合金，通过添加Ta、Al、Ti、Y等元素进一步提 热变形温度为1150℃，应变速率为0.1s1、变形量 高合金的抗氧化能力，提出了铸锭加工为锻件的一 为60%，观察变形后的试样宏观形貌，并从试样中 系列热处理制度，其中的均匀化制度为1204~1260 心沿纵向切开并打磨抛光后，用15gKMn04+20mL ℃保温12~36h. H2SO,+80mLH20的混合溶液加热侵蚀，观察纵剖 国内外对钴基高温合金GH5605及其相近牌号 面的再结晶情况
工程科学学报，第 41 卷，第 3 期 gy of dendritic，elements segregation index，grain size，morphology and the amount of eutectic phase were analyzed and compared in different annealing times． The high-temperature diffusion annealing system is optimal at 1210 ℃ /8 h，at which the dendrites and elemental segregation are substantially eliminated，and the eutectic phase is almost dissolved． KEY WOＲDS cobalt-base superalloy; segregation; dendritic; eutectic; high temperature diffusion annealing 钴基高温合金在高温下具有优良的稳定性和更 高的强度，因此广泛应用于航空发动机的涡轮叶片 及内部的导向叶片［1］，同时在生物医学领域也受到 广泛关注［2--6］． GH5605 是 Co--Cr--Ni 基固溶强化型 变形高温合金，使用温度在 1000 ℃以下，合金在 815 ℃以下具有中等的持久和蠕变强度，在 1090 ℃ 以下 具有优良的抗氧化性能，同时具有较好的加工和焊 接等工艺性能，国外与该合金成分相近的合金牌号 是 L605、HS25 及 WF--11 等［7］． 碳化物是钴基高温 合金的重要强化相，碳化物的形态和特点对其机械 性能和结构稳定性发挥着重要作用，铸态钴基高温 合金中含有多种碳化物，Gui 等［8--9］研究了某钴基高 温合金中碳化物的转变行为，发现由于碳化物与基 体的共格关系，M23 C6 ( M 主要为 Cr 和 W) 在 M7 C3 与基体的界面形核并向 M7C3生长． Koβmann 等［10］ 研究 EＲBOCo--9W 钴基高温合金的偏析行为和析出 相并与其他 3 种高温合金比较，构建微观结构特征 和相稳定性的模型． 而热加工性能的研究则集中于 再结晶及晶粒长大行为，Keyvani 等［2］利用激光超声 冶金技术原位观察 L605 再结晶过程中平均晶粒尺 寸的演变过程和热处理过程中的晶粒长大现象，表 明该技术有利于优化热加工参数，满足特定需要． Chiba 等利用超速退火法研究 L605 合金冷加工样 品的静态再结晶过程中晶粒细化和粗化问题，发现 晶粒生长的动力学特征和最初的变形状态无关，并 且通过减少退火时间可以获得细化的微观结构［11］， 同时他们利用平均场模型结合逆向工程法构建出了 L605 合金的动态再结晶模型［12］． Kumar 等［4］通过 热等静压实验研究了 Co20Cr15W10Ni 在 1323 ～ 1523 K 的热加工性能和组织控制方法． Favre 等［13］研究了一种在生物体内使用的 Co-- Cr--W--Fe 合金中的不同 Cr、W、Fe 含量下的合金相 图及其在 1250 ℃ 下均匀化 12 h 后的组织． Favre 等［14］在 L605 钴基合金的基础上开发了一种新型钴 基高温合金，通过添加 Ta、Al、Ti、Y 等元素进一步提 高合金的抗氧化能力，提出了铸锭加工为锻件的一 系列热处理制度，其中的均匀化制度为 1204 ～ 1260 ℃保温 12 ～ 36 h． 国内外对钴基高温合金 GH5605 及其相近牌号 合金的性能及组织演变的研究报道很多，但是关于 其铸态组织中的元素偏析行为、析出相种类和形貌 以及高温扩散退火过程中的元素再分配规律等却鲜 有报道，因此本文针对双联工艺生产的 GH5605 合 金电渣锭进行研究，分析其组织特点、元素偏析和析 出相，并结合软件计算结果和差示扫描量热仪与热 压缩模拟实验结果分析高温扩散退火处理的合金 特征． 1 实验材料与方法 本实验所用电渣锭采用真空感应熔炼加电渣重熔 二联工艺熔炼，在 243 mm 的电渣锭锭头切取 35 mm 厚的圆片进行铸态组织分析及高温扩散退火实验研 究，合金成分如表1 所示． 将圆片对半切开后，用60 mL HNO3 + 200 mL HCl + 50 g FeCl3 + 30 g NH4 ( SO4 ) 2 + 50 mL H2O 的混合溶液进行低倍侵蚀，分别从外缘、1 / 2 半径和心部 3 处切取 20 mm × 15 mm × 10 mm 块， 用金相砂纸将横截面和纵截面打磨至 2000# 后进行 机械抛光，用 1 g CuCl2 + 10 mL HCl + 10 mL C2H5OH 的混合溶液侵蚀后在光镜下观察金相组织． 用体积 分数 20% H2 SO4 + 80% CH3OH 混合溶液电解抛光 后，在扫描电镜下观察析出相形貌，利用能谱仪分析 微区和析出相成分，对析出相进行鉴定，所有测量过 程均采用 10 个样本并取平均值作为最终结果． 对 电渣锭不同部位的小试样在箱式电阻炉内进行高温 扩散退火，退火温度为 1210 ℃，保温 4、8 和 12 h 后 进行金相组织观察和析出相分析． 表 1 GH5605 合金化学成分( 质量分数) Table 1 Main chemical composition of GH5605 superalloy % C Cr Mn Fe Ni W Co 0. 09 19. 75 1. 55 2. 40 10. 36 14. 65 余量 将铸态和1210 ℃ /8 h 后的合金加工成 10 mm × 15 mm 的圆柱试样，并在 Gleeble 3800 试验机上进行 等温压缩热模拟实验，分析高温扩散退火合金特征． 热变形温度为 1150 ℃，应变速率为 0. 1 s － 1、变形量 为 60% ，观察变形后的试样宏观形貌，并从试样中 心沿纵向切开并打磨抛光后，用 15 g KMnO4 + 20 mL H2 SO4 + 80 mL H2O 的混合溶液加热侵蚀，观察纵剖 面的再结晶情况． · 063 ·
刘超等：钴基高温合金GH5605铸态组织及高温扩散退火过程中元素再分配 ·361· 本文理论计算包括如下内容：利用JMatPro软 2结果和讨论 件及其镍基高温合金数据库计算合金热力学平衡相 图和非平衡凝固过程中的元素再分配规律：采用 2.1铸态枝晶形貌及元素偏析 Thermal--Calc软件计算合金非平衡状态下的凝固动 图1(a)为GH5605合金电渣锭低倍侵蚀形貌， 力学曲线，并以此为依据选取合金均匀化温度 外壁有一层厚度≤5mm的细晶区，柱状晶不发达， (a) e 200um 100Hm ,200um 100μm 200μm 0Oμum 图1电渣锭低倍形貌(a)及不同位置金相组织和背散射照片.(b,e)外缘：(c,)12半径：(d,g心部 Fig.1 Low magnitude morphology (a)and metallography and backscatter photos of electroslag ingot at different positions:(b,e)edge:(cf)1/2 radius:(d,g）center
刘 超等: 钴基高温合金 GH5605 铸态组织及高温扩散退火过程中元素再分配 本文理论计算包括如下内容: 利用 JMatPro 软 件及其镍基高温合金数据库计算合金热力学平衡相 图和非平衡凝固过程中的元素再分配规律; 采用 Thermal--Calc 软件计算合金非平衡状态下的凝固动 力学曲线，并以此为依据选取合金均匀化温度． 图 1 电渣锭低倍形貌( a) 及不同位置金相组织和背散射照片． ( b，e) 外缘; ( c，f) 1 /2 半径; ( d，g) 心部 Fig． 1 Low magnitude morphology ( a) and metallography and backscatter photos of electroslag ingot at different positions: ( b，e) edge; ( c，f) 1 /2 radius; ( d，g) center 2 结果和讨论 2. 1 铸态枝晶形貌及元素偏析 图 1( a) 为 GH5605 合金电渣锭低倍侵蚀形貌， 外壁有一层厚度≤5 mm 的细晶区，柱状晶不发达， · 163 ·
·362 工程科学学报，第41卷，第3期 只有在图1(a)上方才有较为明显的柱状晶结构，厚 较低，不足以形成发达的柱状晶区，柱状晶只有在 度约为20mm,大部分区域为等轴晶.分别从红色矩 靠近外壁温差较大的部位出现，凝固完成后形成 形框位置切取外缘、1/2半径和心部的试样观察金 了大量等轴晶，且12半径和心部的枝晶间距差 相，图1(b)、(c)和(d)分别为三个部位的金相组织 别较小 照片，金相组织照片说明合金三个部位的枝晶形貌 表2GH5605合金枝品间距 不明显，只有心部的一次枝晶较为发达.为了更好 Table 2 Dendrite spacing in GH5605 superalloy 地观察元素偏析情况，在场发射扫描电镜的背散射 取样位置 一次枝晶间距/μm 二次枝品间距/μm 模式进行观察，结果如图1(e)、(f)和(g)所示，可以 外缘 115.65 93.25 看出电渣锭枝晶间的元素还是存在一定程度的偏 1/2半径 225.00 115.00 析，白色区域为枝晶间，灰色区域为枝晶干，枝晶间 心部 237.50 132.13 分布有较多的白亮析出相. 由于元素偏析较轻，605合金的偏析程度较低 表3为电渣锭不同位置的元素偏析系数，可以 且枝晶形貌并不十分明显，表2为电渣锭不同部 看出心部偏析最严重，但电渣锭整体的元素偏析并 位的枝晶间距，一次枝晶间距：心部>1/2半径≥ 不严重.C和W元素均发生了正偏析，在心部的偏 外缘；二次枝晶间距：心部>12半径>外缘，这主 析较重.碳化物是GH5605合金的重要强化相，由 要是由于铸锭在凝固过程中，外壁与水冷结晶器 表1可知，GH5605合金中关键的碳化物形成元素 接触，温差大，冷却速度快，从而形成一层细小的 为Cr和W,所以这两种元素的偏析行为将影响电渣 等轴晶，枝晶形貌不明显，心部温度最高，但温差 锭中碳化物的分布情况. 表3铸锭元素偏析系数 Table 3 Elements segregation coefficient of ingot 取样位置 C Cr Mn Fe Co Ni W 外缘 0.97 1.10 1.31 0.92 0.93 0.94 1.13 112半径 0.95 1.08 1.31 0.93 0.95 0.96 1.10 心部 0.94 1.14 1.40 0.86 0.91 0.87 1.25 平均值 0.95 1.11 1.34 0.90 0.93 0.92 1.16 图2为利用JMatPro软件计算的Cr和W在凝 固过程中的动力学因素，所以计算结果和实际情况 固过程中的再分配规律，可以看出在凝固过程中，随 会有一定的偏差，但两者的变化趋势相同.实验和 着液相比例的减少，Cr和W在液相中的含量逐渐 计算结果表明，GH5605合金心部的元素偏析最严 偏离其平衡成分.在凝固初期，C含量增加缓慢，当 重但合金整体的偏析较轻，但Cr和W在凝固后期 液相比例减小到0.I2左右时，C的含量迅速增大， 会在枝晶间富集，使枝晶间有较多碳化物析出 但W的质量分数曲线较为光滑.由于软件是基于 2.2铸态组织析出相 热力学平衡状态进行计算的，并没有考虑到实际凝 图3为电渣锭的组织形貌及局部放大图，可以 (b) 22 20 15 40 60 80 100 20 40 0 80 100 残余液相质量分数% 残余液相质量分数/% 图2Cr(a)和W(b)凝固过程再分配规律 Fig.2 Redistribution rules of Cr (a)and W (b)during solidification
工程科学学报，第 41 卷，第 3 期 只有在图 1( a) 上方才有较为明显的柱状晶结构，厚 度约为20 mm，大部分区域为等轴晶． 分别从红色矩 形框位置切取外缘、1 /2 半径和心部的试样观察金 相，图 1( b) 、( c) 和( d) 分别为三个部位的金相组织 照片，金相组织照片说明合金三个部位的枝晶形貌 不明显，只有心部的一次枝晶较为发达． 为了更好 地观察元素偏析情况，在场发射扫描电镜的背散射 模式进行观察，结果如图 1( e) 、( f) 和( g) 所示，可以 看出电渣锭枝晶间的元素还是存在一定程度的偏 析，白色区域为枝晶间，灰色区域为枝晶干，枝晶间 分布有较多的白亮析出相． 由于元素偏析较轻，605 合金的偏析程度较低 且枝晶形貌并不十分明显，表 2 为电渣锭不同部 位的枝晶间距，一次枝晶间距: 心部 ＞ 1 /2 半径 外缘; 二次枝晶间距: 心部 ＞ 1 /2 半径 ＞ 外缘，这主 要是由于铸锭在凝固过程中，外壁与水冷结晶器 接触，温差大，冷却速度快，从而形成一层细小的 等轴晶，枝晶形貌不明显，心部温度最高，但温差 较低，不足以形成发达的柱状晶区，柱状晶只有在 靠近外壁温差较大的部位出现，凝固完成后形成 了大量等轴晶，且 1 /2 半径和心部的枝晶间距差 别较小． 表 2 GH5605 合金枝晶间距 Table 2 Dendrite spacing in GH5605 superalloy 取样位置 一次枝晶间距/μm 二次枝晶间距/μm 外缘 115. 65 93. 25 1 /2 半径 225. 00 115. 00 心部 237. 50 132. 13 表 3 为电渣锭不同位置的元素偏析系数，可以 看出心部偏析最严重，但电渣锭整体的元素偏析并 不严重． Cr 和 W 元素均发生了正偏析，在心部的偏 析较重． 碳化物是 GH5605 合金的重要强化相，由 表 1 可知，GH5605 合金中关键的碳化物形成元素 为 Cr 和 W，所以这两种元素的偏析行为将影响电渣 锭中碳化物的分布情况． 表 3 铸锭元素偏析系数 Table 3 Elements segregation coefficient of ingot 取样位置 C Cr Mn Fe Co Ni W 外缘 0. 97 1. 10 1. 31 0. 92 0. 93 0. 94 1. 13 1 /2 半径 0. 95 1. 08 1. 31 0. 93 0. 95 0. 96 1. 10 心部 0. 94 1. 14 1. 40 0. 86 0. 91 0. 87 1. 25 平均值 0. 95 1. 11 1. 34 0. 90 0. 93 0. 92 1. 16 图 2 Cr ( a) 和 W ( b) 凝固过程再分配规律 Fig． 2 Ｒedistribution rules of Cr ( a) and W ( b) during solidification 图 2 为利用 JMatPro 软件计算的 Cr 和 W 在凝 固过程中的再分配规律，可以看出在凝固过程中，随 着液相比例的减少，Cr 和 W 在液相中的含量逐渐 偏离其平衡成分． 在凝固初期，Cr 含量增加缓慢，当 液相比例减小到 0. 12 左右时，Cr 的含量迅速增大， 但 W 的质量分数曲线较为光滑． 由于软件是基于 热力学平衡状态进行计算的，并没有考虑到实际凝 固过程中的动力学因素，所以计算结果和实际情况 会有一定的偏差，但两者的变化趋势相同． 实验和 计算结果表明，GH5605 合金心部的元素偏析最严 重但合金整体的偏析较轻，但 Cr 和 W 在凝固后期 会在枝晶间富集，使枝晶间有较多碳化物析出． 2. 2 铸态组织析出相 图 3 为电渣锭的组织形貌及局部放大图，可以 · 263 ·
刘超等：钴基高温合金GH5605铸态组织及高温扩散退火过程中元素再分配 ·363· 看出晶内和晶界有岛状析出相，且晶内明显多于晶 相具有明显的板条状结构.图5为晶界形貌，可以 界处，岛状析出相典型微观形貌如图4所示，晶内岛 看出晶界呈曲折状，析出相沿晶界呈链状分布，但该 状析出相呈现黑白复合组织结构，而晶界岛状析出 曲折晶界一定程度上能起到强化作用0.表4为白 a b 100μm 100m 图3电渣锭组织()及局部放大图(b) Fig.3 Microstructure (a)and local magnitude micrographs (b)of ingot (a) (B) 2 um 2 d 2.um 2 jm 图4电渣锭品内(a,b)和品界(c,d)典型析出相形貌 Fig.4 Typical precipitates morphology of inner grain (a,b)and grain boundary (c,d)in ingot 亮析出相和晶界析出相的能谱分析结果，可以看出 两种析出相均富含Cr和W,但晶界析出相Cr含量 更高，而白亮析出相W含量更高. 钴基高温合金中的Cr和W是重要的碳化物形 成元素，而碳化物又是重要的强化相，因此，为了判 断GH56O5电渣锭中析出相的种类与析出温度，利 用JMatPro和Thermal--Calc软件分别计算了 GH5605合金的热力学平衡相图和凝固动力学曲 线，结果如图6所示.计算结果含有奥氏体和 图5品界典型形貌 MC6,合金的初熔温度在1260~1300℃，但已有研究 Fig.5 Typical grain boundary morphology 表明在相近牌号的L605中并没有出现σ相和密排
刘 超等: 钴基高温合金 GH5605 铸态组织及高温扩散退火过程中元素再分配 看出晶内和晶界有岛状析出相，且晶内明显多于晶 界处，岛状析出相典型微观形貌如图 4 所示，晶内岛 状析出相呈现黑白复合组织结构，而晶界岛状析出 相具有明显的板条状结构． 图 5 为晶界形貌，可以 看出晶界呈曲折状，析出相沿晶界呈链状分布，但该 曲折晶界一定程度上能起到强化作用［1］． 表 4 为白 图 3 电渣锭组织( a) 及局部放大图( b) Fig． 3 Microstructure ( a) and local magnitude micrographs ( b) of ingot 图 4 电渣锭晶内( a，b) 和晶界( c，d) 典型析出相形貌 Fig． 4 Typical precipitates morphology of inner grain ( a，b) and grain boundary ( c，d) in ingot 图 5 晶界典型形貌 Fig． 5 Typical grain boundary morphology 亮析出相和晶界析出相的能谱分析结果，可以看出 两种析出相均富含 Cr 和 W，但晶界析出相 Cr 含量 更高，而白亮析出相 W 含量更高． 钴基高温合金中的 Cr 和 W 是重要的碳化物形 成元素，而碳化物又是重要的强化相，因此，为了判 断 GH5605 电渣锭中析出相的种类与析出温度，利 用 JMatPro 和 Thermal-- Calc 软 件 分 别 计 算 了 GH5605 合金的热力学平衡相图和凝固动力学曲 线，结 果 如 图 6 所 示． 计算结果含有奥氏体和 M23C6，合金的初熔温度在 1260 ～ 1300 ℃，但已有研究 表明在相近牌号的 L605 中并没有出现 σ 相和密排 · 363 ·