国外细晶铸造IN718压气机叶片组织结构分析

D0I:10.13374/j.issn1001053x.1997.02.011 第19卷第2期 北京科技大学学报 VoL.19 No.2 1997年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.1997 国外细晶铸造N718压气机 叶片组织结构分析 马岳胡尧和 谢锡善 北京科技大学材料工程学院，北京100083 摘要解剖、分析了国外细晶铸造718压气机叶片.结果表明：该叶片叶身部分的晶粒细小，晶 粒度可达ASTM2~4级，无柱状品，均为等轴晶，组织均匀、偏析轻，未见疏松等明显铸造缺陷，接 近镀造叶片的组织结构，有望实现以铸代锻”的目标， 关键词细晶铸造，压气机叶片，组织结构 中图分类号TG115.21 高温合金的细晶铸造工艺在国外已有研究，并且在一定的范围内得到应用.然而，在我国 高温合金细晶铸造工艺的研究刚刚起步，尚未进人使用阶段，为了了解国外该工艺的发展现 状，作者对国外细晶铸造N718压气机叶片的组织结构进行了分析，为我国研究该工艺的工 作者提供一些可靠的资料. 1试验材料及方法 (1)试验材料.国外航空发动机的压气机小叶片叶身长45cm、宽25cm见图1.其成分 分析结果见表1. 表1叶片的化学成分（质量分数） % 材料 C Cr Nb Ti Al Mo Fe Si 叶片 0.046 18.78 5.18 0.90 0.47 3.40 18.84 0.0970.0030.0067 PQIN7180.02/0.0817/21 4.75/5.50.75/1.150.3/0.72.8/3.3 51/21<0.35<0.015<0.015 N718 ≤0.08 1721 4.75/5.50.65/1.150.2/0.82.83.316.5/20<0.35<0.015<0.015 材料 B Pb Bi Sn Sb As Mg Cu Mn Ni 叶片 0.001 <0.0002<0.00020.00110.00020.0015 余 PQIN718 <0.006 <0.001≤0.0001<0.005<0.0035<0.0025≤0.01<0.30 0.35 余 IN718 <0.006 <0.10≤0.35 余 *PQIN718-优质IN718合金 (2)试验方法.将叶片解剖成5部分见图1.试验中叶片侵蚀制度如下： 制度1宏观晶粒度：CuSO,(10g)+HC(50ml)+H,O50ml) 化学侵蚀 1996-10-07收稿 第一作者女34岁博士

第 19 卷 第 2期 1 9 7年 4月 北 京 科 技 大 学 学 报 JO u r n a l o f U n i v e r s i yt o f Sc i e n e e a n d T e e h n o l o gy eB i j i n g V o l . 1 9 N 0 . 2 A P r . 1 9 7 国外 细 晶铸造 I N 7 18 压气机 叶片组织结构分析 马岳 胡 尧 和 谢锡善 北京科技大学材料 工程学 院 , 北 京 10 0 0 83 摘要 解剖 、 分析 了 国外 细晶铸造 IN7 18 压气机 叶片 . 结果表明 : 该 叶片叶身部分 的晶粒细小 , 晶 粒度可达 A S T M Z 一 4 级 , 无柱状 晶 , 均为等轴晶 , 组织均匀 、 偏析轻 , 未见疏松等明显铸造缺 陷 , 接 近锻造叶片 的组织结构 , 有望实现 “ 以 铸代锻 ” 的 目标 . 关健词 细晶铸造 , 压气 机叶片 , 组织结 构 中图分 类号 T G I 1 5 2 1 高 温合金 的细 晶铸 造 工艺 在 国外 已 有研 究 , 并且 在一 定 的范 围 内得 到应用 . 然而 , 在我 国 高温 合金 细 晶铸造 工 艺 的研 究 刚 刚起 步 , 尚未 进人 使 用 阶段 . 为 了 了 解 国外 该工 艺的 发展 现 状 , 作 者 对 国外 细 晶铸造 IN7 18 压气 机 叶 片 的组 织结 构 进行 了分 析 , 为我 国研 究 该工 艺 的工 作者 提 供一 些 可靠的 资料 . 1 试验材料及方 法 ( l) 试验材料 . 国外 航空 发 动机 的压气机 小 叶片 叶身 长 45 c m 、 宽 25 c m 见 图 1 . 其 成分 分析结果 见表 1 . 表 1 叶片的化学成分 (质t 分数 ) % 材 料 C C r N b iT A I M o eF 51 S P 叶片 0 0 4 6 1 8 . 7 8 5 . 1 8 0 . 9 0 0 . 4 7 3 . 4 0 1 8 . 8 4 0 . 0 9 7 0 . 0 0 3 0 . 0 0 6 7 PQ IN 7 1 8 0 . 0 2 /0 . 0 8 1 7 / 2 1 4 . 7 5 /5 . 5 0 . 7 5 / 1 . 1 5 0 . 3 0/ . 7 2 . 8 /3 . 3 5 1/ 2 1 < 0 . 3 5 < 0 刃1 5 < 0 . 0 15 IN 7 18 5 0 . 0 8 1 7 / 2 1 4 . 7 5 /5 . 5 0 . 65 / 1 . 1 5 0 . 2 0/ . 8 2 . 8 /3 . 3 16 . 5 /20 < 0 . 35 < 0 . 0 1 5 < 0 . 0 1 5 材料 B p b B i S n S b A s M g C u M n 预 叶片 0 . 0 0 1 < 0 . 0 0 0 2 < 0 . 0 00 2 0 . 0 0 1 1 0 . 0 00 2 0 . 0 0 1 5 余 QP I” 15 < 0 . 0 0 6 < 0 . 0 0 一 ` 0 . 0 0 0 1 < 0 . 0 0 5 < 0 . 0 0 3 5 < 0 . 0 02 5 ` 0 . 0 1 < 0 3 0 0 . 3 5 余 IN7 1 8 < 0 . 0 0 6 < 0 . 1 0 5 0 3 5 余 * P Q IN 7 1 8 一优质 IN7 1 8合金 ( 2 ) 试验方 法 . 将 叶片解 剖成 5 部 分见 图 1 . 试验 中 叶片侵 蚀制 度如 下 : 制度 1 19 9 6 一 1 0 一 0 7 收稿 宏观晶 粒度 : C u s o ; ( 10 9 ) + CH I( 5 0 m l) + 伙O( 5 o m l) 化学 侵蚀 第 一作者 女 3 4 岁 博士 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1997. 02. 011

Vol.19 No.2 马岳等：国外细晶第造N718乐气机叶片组织结构分析 ·1694 制度2 徽观晶粒度：KMnO,(1g)+HS0,(10ml)+H,O(90ml)化学侵蚀 制度3 金相组织： Cr0,(16g)+H,S0,(I0ml)+H,Po,(17ml)化学侵蚀 用光学显微镜观察叶片的金相组织，用SEM扫描电子显微镜观察叶片高倍组织，用 TEM透射电子显微境观察叶片析出相结构， 位置1 位置2 位置3 位 图1叶片的宏观晶粒尺寸 2叶片的组织结构分析 2.1晶粒度 叶片经制度1化学侵蚀，其宏观晶粒度见图1.从照片可以看出，整个叶身均为等轴细晶， 由叶尖向下晶粒度略为增大，棉头部位基本是柱状晶。 叶片经制度2化学侵蚀，微观晶粒度见图2.叶片晶粒度的评级按美国ASTM标准.由图 2可得：部位2的晶粒度为ASTM4.0;部位3的晶粒度为ASTM3.0:部位4的晶粒度 为ASTM2.0:部位5的晶粒为柱状晶.叶身部分均为等轴晶，但是，由于厚度不同，各部分冷却 位置4 图2叶片的嫩观晶粒尺寸

·170· 北京科技大学学报 1997年第2期 速度不同，因此，晶粒度的大小也 衰2壁厚对叶片姐织的影响 不同.薄的部分冷速快，品粒细 部位 壁厚/mm晶粒度(ASTM)二次枝晶间距/mm 小；较厚的部分冷却速度慢，晶粒 2 1.90 4.0 1.0 较粗大.叶片的壁厚与晶粒度的 3 2.30 3.0 1.5 关系见表2，晶粒度与壁厚大致呈 2.85 2.0 3.0 直线关系，叶片的棉头部分由于 27.00 (柱状品) 较厚大，冷却速度慢，为明显的柱 状晶.由此看出，要获得细小的等 轴晶，冷却速度是关键因素之一， 与普通铸造工艺相比，细晶 叶片的晶粒度要细小得多，因而 叶片细晶部位的夹杂是非常细小 而弥散的.在SEM上能谱分析的 结果表明：大部分为碳化铌，同时 还存在少量的碳化针， 2.2微观组织结构 叶片经制度3化学侵蚀，它 的组织结构见图3.由图可以看 出，叶身组织为均匀的等轴树枝 晶，二次枝晶间距与壁厚关系见 表2. 由图3和表2可 图3细昌叶片的枝墨形馥 位量 位置4 位置5 图4细最叶片的囊观姐织（左图），右图为扫描电镜及能道分析

Vol.19 No.2 马房等：国外细品待造N718压气机叶片组织结构分析 ·171· 以看出，叶片的壁越薄，冷却 速度越快，二次枝晶间距越 小；二次枝晶间距越小，偏析 和硫松等铸造缺陷越少，可 以推测叶片的力学性能也越 好. 细晶铸造叶片的二次枝 晶间距明显小于普通铸造叶 片的二次枝晶间距、二次枝 晶间距减小，在枝晶间最后 凝固区域减小，因此叶片的 疏松和偏析很少.对叶片的 铸造缺陷的分析也证明了这 一点.高倍金相观察照片见 1g92A529 68008gy 图4. 图5细晶叶片的析出相y 从金相照片上没有看出普通铸造具有的枝晶间的粗大偏析相.为进一步分析，用扫描电 镜及能谱分析见图4右图， 由分析可知：黑区中b含量远高于基体含量，说明Nb在此偏聚，此处即为枝晶间：而黑 区中的白色小块的成分断定为共晶Laves相. 从金相照片看出：细晶叶片的枝晶间区城很小，其间的【avs相多为共晶相，且数量少、 尺寸小和弥散分布，因此椎断叶片具有良好的力学性能。 为了更深一步研究分析叶片析出相组织，采用TEM观察见图5.由照片可以看出：细品 叶片的析出相细小，分布均匀，具有很好的强化效果，可获得良好的强度性能。 3分析叶片的细晶铸造工艺及热处理工艺 3】分析细晶铸造工艺 成分分析表明：叶片的纯净度高、杂质细小，分布均匀且含量少，因此可排除使用化学法 的可能性：在叶片分析中未发现明显的疏松和其他铸造缺陷，同时叶片的晶粒细小、晶粒度 均匀，也可排除机械法川 由此认为，压气机叶片是采用热控法获得细晶的，即通过控制合金的浇温、凝固过程中的 冷速和热流的方向等措施，使铸件整个断面形成一个较大的过冷度和均匀的温度场，按照同 时凝固方式进行结晶，而获得细小的等轴晶， 3,2热处理工艺 由金相照片看出，在500倍时已观察不到明显的铸态枝晶组织，但可见疏密不均的网状 组织，据报道四，叶片经过HP处理，位错结构发生变化，出现普通热处理看不到的网状组织， 在透射照片上可看到位错密集排列的痕迹

·172· 北京科技大学学报 1997年第2期 4结束语 压气机叶片的纯净度高，碳化物夹杂细小而均匀，偏析小，无大块相，组织致密，而疏松 等铸造缺陷少，叶身部分的晶粒细小，为等轴晶.叶片的析出相细小而均匀，可以初步认为叶 片的铸造工艺是热控法，并经过HP处理. 参考文献 1约翰J.超细晶粒金属.王燕文，张永昌译.北京：国防工业出版社，1982.2 2赵京晨，单熙，燕平等.铸造N718合金HP组织研究.见：第八届全国高温合金年会学术论文特辑.沈阳： 1995.61 Investigation of Microstructure of Fine Grain Cast IN718 Compressor Blade from Abroad Ma Yue Hu Yaohe Xie Xishan Material Engineering School,UST Beijing,Beijing 100083.China ABSTRACT Fine grain cast IN718 compressor blade form abroad has been analyzed. There is no columnar grain,uniform equiaxed grain,less segregation and no porosity cast defect in essence in the section of blade body with fine grain,in which grain size is about ASTM 2~4.Its microstructure is approachable to that of forging.It is hopeful to achieve the goal of replacing forging by casting. KEY WORDS fine grain cast,compressor blade,microstructure

1 7 2 北 京 科 技 大 学 学 报 1 9 9 7年 第 2期 4 结束语 压气机 叶片 的 纯 净度 高 , 碳 化 物 夹杂 细小 而均 匀 , 偏 析 小 , 无大 块相 , 组 织 致密 , 而疏 松 等 铸造 缺 陷少 . 叶 身部分 的晶粒 细 小 , 为 等轴晶 . 叶片 的析 出相 细 小而 均匀 , 可 以 初步 认 为叶 片的铸造 工艺 是 热控法 , 并 经 过 H I P 处理 . 参 考 文 献 1 约翰 J . 超细 晶粒金 属 . 王 燕文 , 张永 昌译 . 北京: 国 防工业 出版社 , 1 9 82 . 2 2 赵京晨 , 单熙 , 燕平等 . 铸造 IN7 18 合金 H I P 组织研究 . 见 : 第八届 全国 高温合金年会学术论文特辑 . 沈 阳: 19 9 5 . 6 1 I n v e s t i g at i o n o f M i e r o s trU e ut r e o f F i n e G r a i n C a s t NI 7 1 8 C o m P r e s s o r B l a d e fr o m A b r o a d 人轰之 uY e 劫理 aY o h e Xi e Xi s h a n M a et ir al 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 i n g 10 0 0 8 3 , C ih an A B S T R A C T R n e g 而 n e as t IN 7 18 e o m P re s s o r b lad e of rm a b or ad h as be e n an al y z e d . Th e re 1 5 n o e o l um n ar g 而 n , u in fo mr e q ul ax e d g 面 n , l e s s s e g er g a it o n a n d n o po or s i yt e as t de fe c t i n e s s e cn e i n ht e s e e it o n o f b lad e 饮 x ly w iht if n e g 而 n , i n w hi e h g 面 n s i z e 1 5 a bo u t A S T M Z 一 4 . Ist 而 c or s t ur c ut er 1 5 ap Por ac h a b l e ot ht a t o f fo gr i n g . It 1 5 h o ep ful ot ac hi e v e het g o al o f er Pl ac i n g fo gr i n g b y e as it n g . K E Y W O R D S if n e g iar n e as t , e o m P er s s o r b lad e , m i e or s utr e ut er