D0I:10.13374/j.issn1001053x.1986.s1.008 北京钢铁学院学报 1986年6月 Journal of Beijing University Special issue 专抵1 of Iron and Steel Technology 51,1986,6 合金元素对GH220合金弯曲晶界的影响 葛占英叶锐曾孙金贵杨莲隐.王惠俞同丰张润岗 (高温合金教研室) (420厂) 摘 要 本文对GH220合金弯品形成机制以及加入W、Mo.C、C(微量)等元素的作用进行了初步探 讨，试验结果表明：对于GH220合金，慢速缓冷时形成弯品为Y机制：快速冷却和采用等温工艺时为 碳化物机制。并摸崇到上述各元素最佳含量范国，对生产有一定参考价值， 关键词：合金元素、弯曲品界、品粒度 Effect of Alloying Elements on Zig-Zag Grain Boundary in Superalloy GH220 Ge Zhanying Ye Ruizeng Sun Jingui Yang Lianyin Wang Hui Yu Tongfeng Zhang Rungang Abstract The formation mechanism of Zig-Zag grain boundary and the action of adding some W,Mo,C,Ce(minor)to alloy have been probed tentatively.The results show that gamma prime well induce the formation of Zig-Zag G.B. when alloy is cooled slowly,and the carbides are the same too when the alloy coolled quickly or the isothermal heat treatment method is used.The best content ranges of W,Mo,C,Ce are found out,which is useful for produ- ction. Key words,alloying elements,zigzag grain boundary,grain size 前、十言 关于弯晶的形成机制，大体上可分为碳化物模型和Y'模型。有关合金元素W、Mo、C、 Ce等对晶界弯曲程度与弯晶在总晶界中的百分数等的影响问题，至今未见报导〔1)。 61
名 年 月 心 专 辑 北 京 钢 铁 学 院 学 报 沁 ， ， 合金元素对 合金弯曲晶 界的影响 葛 占英 叶锐曾 孙金贵 杨莲隐 王 惠 俞同丰 张润岗 高温 合金教研室 厂 摘 要 本文对 椒幼 合金 弯晶形成 机制 以 及加入 、 、 微量 等元 素 的作用进行 了初 步探 讨 试验结果表 明 对 于 。 合 金 ， 慢 速缓冷时形成 弯 晶为 丫 ‘ 机制 快 速冷却 和 采用 等温工艺 时为 对生 产有一定参考价值 。 ‘ ’ 仑 ” 一 ’ 夕 ” 如 班 ” 刀 盯 夕介 。 ” 一 ， ， ， 士 五 至 妹 一 ， 五 。 了 娜 “ 二 ， ， ， ， 面 。 户 乙 即 二 个 币， 前 言 关于 弯 晶的形成机 制 ， 大体上可 分为碳化物模型和 ’ 模型 。 有关 合金元素 、 。 、 、 等对 晶界弯曲程度与 弯晶在总 晶界 中的百 分数等 的影响 问题 ， 至 今未见报导〔。 。 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1986．s1．008
为此，本文着重探讨了上述诸元素对GH220合金晶界弯曲度、弯晶界占总晶界的百分数 以及晶粒度的影响。 1实验方法 1.1实验用料 实验用料为本院小型双真空电炉冶炼的不同含碳量的GH220合金和长城钢厂双真空治烁 的高Ce高W、Mo的GH220合金。其编号及化学成份见表。 表 实验用料的编号及化学成份 Table Chemical compositions of alloys used Alloy No B C Cr Ti V Co Fe Mg Ce Ni Characterist ic of alloy 0.02 10.05.56.54.102.300.3015.0 -0.100.005Bal. No C 2 0.020.0510.0 5.5 5.54.102.30 0.3015.0 0.100.005Ba1. Mid.C 3 0.020.0910.05.55.54.102.300.3015.0 0.100.005Bal. 上ligh C 0.0190.0610.745.785.574.402.330.3315.20.18b.0030.010Bal. High Ce 0.0180,0410.075,966.354,02.290.3015.230.440.0050.005Bal.High W,Mo 〔注)合金1.2.3的成份为配料成份，合金4、5的成份为分析成份 1.2热处理工艺 为了进行比较，采用两种热处理制度： (1)固溶处理后等温保温工艺（简称等温工艺）： 1220℃室冷1070℃/2,5h/空冷+950℃/2h/室冷 (2)固溶处理后缓慢冷却工艺（简称缓冷工艺）： 1220℃3℃/分→1050℃/室冷+1050℃/4/空冷+950℃/4h/空冷 1.3金相技术 (1)浸蚀剂 a.Murakami试剂：10g铁氟化钾+10gKOH+10mlH20混合煮沸1015min,碳 化物颜色变黑。 b.5gCuC12+100mlHC1+100ml酒精+100mlH20化学浸蚀，Y'颜色变黑，碳化物 变为白亮色。 (2)测量弯曲晶界在总晶界中所占百分比的定量金相法 测量是在Neophot-一1型金相显微镜下进行放大倍数为640倍，用带有标尺的目镜进行观 察。试样用Murakamij试剂浸蚀。每种成份的合金取7080个视场，共测晶界220~240条， 测量晶界的总长度为2200μm左右。利用目镜下的标尺，可以观察到在某一长度的晶界上弯 曲晶界的长度，由此可以求出弯晶在总晶界中所占的百分比。根据Vv=AA=L=P(2), 利用这种测量方法可得到整个合金的弯曲晶界在总晶界中所占的百分比。 (3)弯曲晶界本身参数hI的测量 62
为此 ， 本文着重探讨了上述诸 元素对 。 合金晶界弯曲度 、 弯 晶界占总晶界的百 分数 以及 晶粒度 的影响 。 实验方 法 实验用 料 实 验 用料 为本院小 型双真空 电炉 冶炼 的不 同含碳 量 的 合金和长 城钢厂双 真 空 冶炼 的 高 高 、 。 的 灯合 金口其编 号及化学成份见表 。 表 实验用 料 的编号及 化学成份 ‘ 一猛忿 ’ “ 徉 一 “ 犷下 一 一 训潇下 一 浑 一… 一 拼群不械粼称份添 荞买 。 ， 。 …一 … ，。 小 · 小 · 小 · ，。 … · 。 … 。 ， 。 …川 一 卜 · ，。 … 。 · 。 。 … · ， · … … 。 · 。 。 · 。 … 。 · 。 … · · … · 。 … · 。 … 。 · 。 。 · 。 …一 。 · ，。 。 · 。 。 · … 号一伴半琳宋吕兴 … 一 … 。 · ，。 。 · 。 。 … “ ， · … 玉“ … 。 … 。 … · 。 。… “ · · ‘ · ， 卜 ， ， 护 · 贯 · 。产 二 …只竺全竺 点灵烈 、 户 · 只…三 · ，只 二 一 ““ 一忿… 二 乙全立二。 分，侧旦 ‘ · 性 整竺 ， 梦 卜 』 〔注 〕合 金 的成份为配 料 成份 ， 合 金 、 的成份为分析成 份 。 热 处理 工艺 为 了进行 比较 ， 采 用两种 热处理 制度 固溶 处理后等 温保 温工艺 简称等 温 工艺 ℃止丢三竺一 ℃ 空 冷 ℃ 空 冷 固溶 处理后缓 慢冷 却工艺 简称缓 冷工艺 ℃卫宝兰全 ， ℃ 空 冷 ℃ 空 冷 。 一 ℃ 空 冷 金相 技术 浸 蚀剂 试剂 铁氰 化 钾 叭 十 混 合煮 沸 ， 碳 化 物颜 色 变黑 。 “ 乒 酒精 化 学浸蚀 ， 丫 ‘ 颜 色变黑 ， 碳 化物 变 为 白亮色 。 测 量 弯曲 晶界在总 晶界 中所 占百 分 比 的定 量 金相法 测 量是在 “ 叩 一 型 金相显微镜 下进行 放大倍数为 倍 ， 用带有标尺 的目镜进行 观 察 。 试 样用 试剂 浸蚀 。 每种成 份 的 合金取 个视 场 ， 共测 晶界 条 ， 测 量 晶界 的总长 度 为 件 左 右 。 利 用 目镜 下 的标尺 ， 可 以观察 到在某一长 度 的 晶界上 弯 曲 晶界的长度 ， 由此可 以求 出弯 晶在 总 晶界中所 占的 百 分比 。 根 据 、 二 、 、 〔 〕 ， 利 用这 种测 量方法可 得 到整个 合金 的 弯 曲 晶界 在总 晶界 中所 占的百 分比 。 幻 弯曲 晶界本身参数下 丁 的测 量
湾曲晶界的h指弯曲晶界的高，1为半波长，如图1所示。T,则是波长与高度的平均 值。 图1弯曲品界参数h、1示意图 Fig.1 Schematic diagram of zigzag G.B.parameters h and I 试样用Murakami试剂浸蚀，然后在Neophot一1型显微镜下放大800倍，拍摄金相照 片，用直尺测量照片。每种合金选取5~7个视场照相，共有晶界15~20条，可测得200220 个数据。由定量金相的原理可知，这些数据可以保证测量的精度范围可靠。 (4)合金元素对合金晶粒度影响的测定 将各种成份的试样在显微镜下放大100倍进行放大观察与YB27一64部颁标准品粒级别图 进行比较以确定晶粒的等级。 1.4扫描电镜技术 试样在PSE一500X型扫描电镜下进行形貌观察，并对某些晶界析出相进行能谱分析。 2试验结果分析 2,1合金元素对总晶界中弯晶晶界所占百分数的影响 实验结果绘成曲线见图2，图中R代表弯曲晶界在总晶界中所占的百分比。 由图2可看出： ☑Isoiherngl#,f. (1)等温处理条件下，高碳合金弯曲晶 10e1 ☐iege914ngH,, 界最多，高Ce合金次之，但二者相差不大。 80 高W、Mo合金和中C合金居第三四位，只有 0 无碳合金不发生弯曲。 (2)缓冷条件下，与上述规律基本相 似，其中高Ce合金晶界弯曲最好，高C合金次 Mid.C High.C ILgh.Co iigh+W.M 之，以下顺序与等温处理相同。 图2合金元亲对弯曲晶界百分比数的影响 (3)图中五种合金，其缓冷的R值都大 Fig.2 Effect of alloying elements on 于等温的R值。 the percentage of zigzag G.B. 很明显，造成同一热处理制度下，各种成 份合金的弯晶百分数(R值)不同的原因是由于合金元素含量不同。 关于弯晶的形成机制，归纳为Y'模型和碳化物模型两种。Larsons等人认为(3)，造成晶 界弯曲的第二相是Y',认为Y一Y在晶界上是共格的，但Y与Y‘总有一个晶面位向差大，表面 能高，Y易在该方向长大。而共格的能量小，Y'不易长大，最后因Y'的长大而形成弯曲晶 63
弯曲晶界的 指弯曲晶界的高犷 为半波长 ， 如 图 所 示 。 了 一 ， 有则是波长 与 高度的平均 值 。 了 图 弯 曲晶 界参数州示意 图 五 了 ， 试 样用 试剂浸蚀 ， 然后 在 “ 。 五。 七一 型显微镜下放大 倍 ， 拍 摄 金 相照 片 ， 用直尺测 量照 片 。 每种 合金选取。 个视场照相 ， 共有 晶界 条 ， 可测得 个数据 。 由定 量金相 的原 理可知 ， 这些数据可 以保证测量 的精度范 围可 靠 。 合金元素对 合金 晶粒度影响的测定 将各 种成份 的试 样在显微镜下放大 倍进行放大观察与 一 部颁标 准 晶粒级别 图 进 行 比较 以确定 晶粒 的等级 。 扫 描电镜技术 试样在 一 型 扫描电镜下进行 形貌 观察 ， 并对某些晶界析 出相进行能谱分析 。 试验结果分析 合金元素 对总晶界 中弯 晶 晶界所 占百 分数 的影响 实 验结果绘成 曲线 见图 幻 图 中 代表 弯曲 晶界在总 晶界 中所 占的百 分比 。 万，仁‘ 洲立 立 一 乙匕 · 。 工立吕 一 卜 〕 八 日 工 ， 日 七 工注 昌 匕 图 合 金 元 素对 弯 曲晶界百 分 比 数的影 响 只 土 减无 碳 合金不发 生 弯 曲 。 、 浪娜砚 彝塔撰丝撰黔淤蒸慈缭
界。所以，这种观点认为：要得到弯晶，必须在晶界上沉淀出大的Y'。山琦道夫认为4)，碳 化物在晶界上以某些特定的方向析出，可以造成界面能的有利条件，从而使晶界发生弯曲， 如图3。由于aa>bb所以形成弯曲晶界在能量上是有利的。因此，界面能的降低是晶界迁移 的驱动力。 Carbide 4,M④LTHMOHOB(5)则认为，由于碳化物的析出（这里的 碳化物指M23C:)，使碳化物附近的元素分布不同，产生浓 度差，使合金元素发生扩散，而不同元素在相同温度条件下的 扩散速度是不同的，留下的空位数目也不同，从而造成空位浓 度差，导致位错攀移一→亚结构多边形化→晶界迁移，最后 形成弯曲晶界。这种模型的示意图见图4。 Grain Boundary 图3弯晶的联化物模型 Fig.3 Carbide model for 图4合金元素扩散模型 formation of zigzag G.B. Fig.4 Alloying element diffusional model for for mat ioo of zigzag G.B. 一般认为，碳化物析出温度高于Y'的低合金化镍基合金中，引起晶界弯曲的第二相是碳 化物；在Y'析出温度的高合金化镍基合金中，引起晶界弯曲的第二相是￥'，也可以通过热处 理对析出相进行控制。在Y'与碳化物析出温度相似的合金如G220中，究竞是由碳化物还 是Y'引起弯晶，众说不一，根据经验公式(2)： Cr%at/(Cr+Mo+0.7W)%at>0.82生成M23Cg Cr%at/(Cr+Mo+0.7W)%at<0.72生成MsC 0.72<Cr%at/(Cr+Mo+0.7W)%at<0.82依处理而定。 在GH220合金中碳化物应主要是M。C。本试验观察了两种热处理后的金相组织，发现 除合金1外，各成份的合金晶界上均有黑白两种析出相，以白色为主；而在合金1的晶界上 未发现白色析出物，只有黑色点状析出相。能谱分析证明白色相为含W,Mo较高的M。C型 碳化物（图5），黑色析出相为Y‘。 5865431林T H52852CH 图5碳化物的能谐 Fig.5EDAX of carbide 64
界 。 所以 ， 这种 观点 认为 要得 到 弯晶 ， 必须在晶界 上沉淀 出大 的 ’ 。 山琦道 夫认为以 〕 ， 碳 化 物在 晶界上 以某 些特定 的方 向析 出 ， 可 以造成 界面 能 的有利 条件 ， 从 而使 晶界发 生 弯 曲 ， 如 图 。 由于丽 丽所 以 形成 弯 曲 晶 的驱动 界在能 量上是有利 的 。 因此 ， 界面能 的降 低 是 晶界迁移 力 。 ’ 、 小 二。 。 二 〔 “ 〕 则认 为 ， 由于 碳化物 的析 出 这里 的 碳化物指 。 。 ， 使碳化 物附近 的元素分布不 同 ， 产生 浓 度 差 ， 使合 金元素发生扩散 ， 而不 同元 素 在相 同温 度条件 下 为 扩散速度是不 同的 ， 留 下 的空位数 目也不 同 ， 从 而造成空位浓 度 差 ， 导 致位错 攀移分 亚结构 一 鱼些鱼互净 晶界迁 移 ， 最后 形成 弯 曲 晶界 。 这种模型 的示 意 图见图 。 了 图 弯 晶 的 碳化物 模型 口 图 合金元 素扩散 模型 。 一般 认为 ， 碳化 物析 出温度 高于 丫 ‘ 的低合 金化镍 基合 金 中 ， 引起 晶界 弯 曲的第二 相 是碳 化 物 在 析 出温 度 的 高合 金化镍 基合 金 中 ， 引起 晶界弯 曲的第二相 是 丫 ， 也可 以 通过 热处 理 对析 出相进行 控 制 。 在 ‘ 与碳化 物析 出温 度相似 的合 金如 中 ， 究竟 是 由碳化物还 是 丫 ‘ 弓起 弯 晶 ， 众说 不 一 ， 根据经验 公式〔 “ 〕 十 韶生成 。 。 。 十 恤 。 月 一 生成 八 依处理 而定 。 在 合 金 中碳化物应 主要 是 。 。 本试验观察 了两种热处理后 的金相组织 ， 发现 除合 金 外 ， 各成 份的合 金 晶界上均 有黑 白两种析出相 ， 以 白色为 主 而在合金 的 晶界上 未发现 白色析 出物 ， 只 有黑 色点 状析 出相 。 能谱分析证 明 白色相为含 ， 。 较 高的 。 型 碳 化物 图 ， 黑色析 出相为 丫 ‘ 。 图 碳化 物 的 能谱
通过进一步的观察又发现： (1)合金1,2和3随着含碳量的增加，晶界碳化物的析出量增加，弯晶百分数R值也增 大，见图6,7,8。 (2)合金4和5都比标谁成份的合金2弯晶百分数(R值)大，见图9。 (3)在合金4和5中发现碳化物略有球化现象，合金4中还发现晶内碳化物明显增加，见 图9。 图6合金1缓冷处型品界组门 图7合金2等温处理晶界组织 Fig.6 G.B.after slow cooling H.T. Fig.7 G.B.after isothermal H.T. (A11oyNo.1)1250× (A1JoyN0.2)1250× 图8合金3等湿处理晶界组织 图9合金4等温处理品界组织 Fig.8 G.B.after isothermai H.T. Fig.9 G.B.after isothermal H.T. (A11oyNo.3)1250× (A1Jo7No.4)I250× 图10合金5缓冷处理晶界组织 Fig.10 B.G.after slow cooling H.T. (A11oyNo.5)1250× 65
通过进一步 的观察又发现 劝 合 金 ， 和 随着含碳量 的增加 ， 晶界碳 化物的析 出量增加 ， 弯晶百 分数 值也增 大 ， 见 图 ， ， 。 、 合 金 和 都比标准成份 的合 金 弯 晶百分 数 值 大 ， 见 图 在合 金 和 中发现碳化物略有球化现象 ， 合 金 中还发现 晶内碳化物 明显增加 ， 见 图 。 图 合 金 缓 冷处 理 晶界组 织 工 ‘ 毯 。 汉 图 合 金 等温处 理 晶 界组织 宝 了 士 土 ’ 、 了 ， 又 图 合 金 等温处理 晶界组 织 ’ 图 合 金 等温处理 晶界组 织 士 。 。 图 。 合金 缓冷 处 理 晶界组织 王一 ， 》 邪