D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1996.03.012 第18卷第3期 北京科技大学学报 Vol.18 No.3 1996年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jm.1996 K6合金铸造叶片质量分析 赵俊华 北京科技大学材料科学与工程系，北京100083 摘要应用金相显微镜和扫描电镜以及X射线能谱分析了K6合金铸造叶片的质量问题，结果表 明：K6合金铸造叶片报废的主要原因在于非金属夹杂物在浇注成型时混入合金叶片中造成的， 因此需要严格控制K6母合金质量和选择合理的重熔浇注工艺参数， 关键词高温合金，叶片、非金属夹杂物，铸造，质量 中图分类号TF111.18.TG250.2 K6合金适用于制做850℃以下长期使用的涡轮叶片、导向叶片等高温部件，在采用该合金 研制216#发动机的单级涡轮叶片过程中，往往出现一些夹渣、复相夹杂和气孔等缺陷、影响了 毛坯质量，引致叶片报废.为此本文利用金相显微镜和扫描电镜(SEM),X射线能谱对K6合 金铸造叶片的缺陷产生的原因进行了分析，提出了改善叶片冶金质量的途径川. 1试验方法 采用真空感应炉熔炼母合金，用熔模精密铸造法铸造涡轮叶片，真空感应重熔时、浇注 温度控制为1450℃，模壳温度为900℃，对叶片毛坯进行初检（包括化学成分、力学性 能、表面质量、叶形、晶粒度及X射线探伤等检验)后，再将合格毛坯进行磨加工，制取合 格叶片，试验合金的化学成分见表1. 表1试验合金的化学成分/% 炉号 Cr Mo Al Ti B Zr Ni Fe Si Mn P D85-16690.1615.495.363.622.580.0870.09余0.47<0.2<0.10.0080.008 D85-16700.1715.455.363.622.600.0830.08余0.37 <0.2<0.10.008 0.007 D85-16710.1515.175363.682.580.0810.07余032<0.2<0.10.0080.007 研制过程中发现、有些叶片毛坯和加工后的半成品叶片表面，存在类似砂眼状缺陷.对这 种类型缺陷进行了金相观察，并用S-600扫描电镜和OTEC能谱分析夹杂物及合金基体 的化学组成. 2试验结果及讨论 金相观察发现：除少数叶片存在气孔外，绝大多数叶片表面存在着类似砂眼状缺陷、分 布在叶身（即叶背、叶盒部位），在叶片榫齿部位也偶尔可见，更为严重的是，有时在经初 检和X射线探伤合格、再经磨加工后的成品叶片的表面上也会看到这种缺陷.这表明这类 1995-06-10收稿 第一作者女4岁工程师
3 1 第 卷 第 期 8 1 年 月 6 6 9 9 北 京 科 技 大 学 学 报 Jo u rn a l o f U n ive rs it y o f S c i e n 二 a n d T e l C l n o l o g y e ji i B n g V o l . 1 N 8 o . 3 1 J皿 6 9 9 K 合金铸造叶片质量分析 6 赵俊华 北 京 科 技 大 学 材料 科 学 与 工 程 系 , 北 京 1(联】8 3 滴要 应用 金相显微镜和 扫描电镜 以及 X 射线能谱分析了 K 6 合金 铸造 叶片的 质量 问题 . 结 果表 明: K 6 合金铸造叶片报废 的主 要原因 在于非金属 夹杂物在浇 注成 型时混 入合金 叶片 中造成 的 因此需要严格控制 K 6 母合金质量和 选 择合理的 重熔 浇注 工 艺参数 . 关键词 高温合金 , 叶片 , 月 属 夹杂物 , 铸造 , 质量 中图分类号 T F l l . 18 , 产 , 非金 T G Z印2 6K 合金适用于 制做 8功 ℃ 以下长期使用的涡轮叶片 、 导向叶片等高温部件 . 在 采用 该合金 研制 21 萨 发动机的单级涡轮叶片过程中 , 往往 出现一些夹渣 、 复相 夹杂 和气孔等缺 陷 , 影 响 了 毛坯 质量 , 引致叶片报废 . 为此本 文利用金相显微镜 和扫 描 电镜 (S E M ) , X 射 线能谱 对 K 6 合 金铸造 叶片 的缺陷产 生的原 因进行 了分析 , 提出了改善 叶片冶金质量的途径 l ’ ] . 1 试验方法 采用 真空感 应炉熔炼 母合金 , 用 熔模精密铸造 法铸造涡 轮叶 片 . 真空感 应重 熔时 , 浇注 温度 控制 为 1 4 50 ℃ , 模壳温度 为 9 0 ℃ . 对叶 片 毛 坯 进 行初 检 ( 包括 化 学 成 分 、 力学 性 能 、 表 面质量 、 叶形 、 晶粒度 及 X 射 线探伤等 检验 ) 后 , 再将 合格 毛坯进行 磨加工 , 制取合 格 叶片 . 试验合 金 的化学 成分见 表 1 . 表 1 试验合金 的化学成分 / % 炉 号 C C r M o AI T I B rZ N I eF s i M n P S D 85 一 l肠9 0 . 16 15 一 49 53 6 3 . 62 2 . 58 0 . 08 7 0 . 的 余 04 7 < 0 2 < 0 . 1 0 . 田8 0 . 田8 D 85一 1670 01 7 15 . 4 5 53 6 3石2 2 . 印 0D 83 0 . 08 余 03 7 < 0 . 2 < 0 . 1 0 . 田8 0 . 田7 D 85一 167 1 0 . 1 5 15 . 1 7 53 6 3 . 68 2乃8 0 . 08 1 0D 7 余 03 2 < 0 . 2 < 0 . 1 0 . 田8 0 . 田7 研 制过 程 中发现 , 有 些 叶片毛坯 和加工后的半成品叶片表 面 , 存在类似砂眼状缺 陷 . 对这 种类 型缺 陷进行 了金相观 察 , 并 用 S 一 60 0 扫 描 电镜 和 O R T E C 能 谱分 析夹杂 物 及 合金基 体 的化 学组成 . 2 试验 结果及 讨论 金 相观 察发 现: 除 少数 叶片存 在气孔外 , 绝 大多 数叶片表 面存 在着 类似砂 眼状缺 陷 、 分 布在 叶身 ( 即叶背 、 叶盒部位 ) , 在叶 片桦齿部位也偶 尔 可见 . 更为 严 重 的是 , 有 时在 经 初 检 和 X 射线探 伤合 格 、 再 经磨 加工后 的成 品叶 片的 表 面 上也 会看 到 这 种 缺 陷 . 这表 明这 类 1男 5 一 肠 一 0] 收 稿 第一 作者 女 又 岁 工 程 师 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1996. 03. 012
三
第 18 卷 第 3 期 1 9 96 年 6 月 北 京 科 技 大 学 学 报 Jo u rn a l o f U n ive rs ity o f S c i e n 二 a n d T eC l l n o l o g y Be ij i n g V o l . 18 N o . 3 J 皿 19 9 6 K 6 合金铸造叶片质量分析 赵俊华 北 京 科 技 大 学 材料 科 学 与 工 程 系 , 北 京 1(联】8 3 滴要 应用 金相显微镜和 扫描电镜 以及 X 射线能谱分析了 K 6 合金 铸造 叶片的 质量 问题 . 结 果表 明: K 6 合金铸造叶片报废 的主 要原因 在于非金属 夹杂物在浇 注成 型时混 入合金 叶片 中造成 的 因此需要严格控制 K 6 母合金质量和 选 择合理的 重熔 浇注 工 艺参数 . 关键词 高温合金 , 叶片 , 月 属 夹杂物 , 铸造 , 质量 中图分类号 T F l l . 18 , 产 , 非金 T G Z印2 6K 合金适用于 制做 8功 ℃ 以下长期使用的涡轮叶片 、 导向叶片等高温部件 . 在 采用 该合金 研制 21 萨 发动机的单级涡轮叶片过程中 , 往往 出现一些夹渣 、 复相 夹杂 和气孔等缺 陷 , 影 响 了 毛坯 质量 , 引致叶片报废 . 为此本 文利用金相显微镜 和扫 描 电镜 (S E M ) , X 射 线能谱 对 K 6 合 金铸造 叶片 的缺陷产 生的原 因进行 了分析 , 提出了改善 叶片冶金质量的途径 l ’ ] . 1 试验方法 采用 真空感 应炉熔炼 母合金 , 用 熔模精密铸造 法铸造涡 轮叶 片 . 真空感 应重 熔时 , 浇注 温度 控制 为 1 4 50 ℃ , 模壳温度 为 9 0 ℃ . 对叶 片 毛 坯 进 行初 检 ( 包括 化 学 成 分 、 力学 性 能 、 表 面质量 、 叶形 、 晶粒度 及 X 射 线探伤等 检验 ) 后 , 再将 合格 毛坯进行 磨加工 , 制取合 格 叶片 . 试验合 金 的化学 成分见 表 1 . 表 1 试验合金 的化学成分 / % 炉 号 C C r M o AI T I B rZ N I eF s i M n P S D 85 一 l肠9 0 . 16 15 一 49 53 6 3 . 62 2 . 58 0 . 08 7 0 . 的 余 04 7 < 0 2 < 0 . 1 0 . 田8 0 . 田8 D 85一 1670 01 7 15 . 4 5 53 6 3石2 2 . 印 0D 83 0 . 08 余 03 7 < 0 . 2 < 0 . 1 0 . 田8 0 . 田7 D 85一 167 1 0 . 1 5 15 . 1 7 53 6 3 . 68 2乃8 0 . 08 1 0D 7 余 03 2 < 0 . 2 < 0 . 1 0 . 田8 0 . 田7 研 制过 程 中发现 , 有 些 叶片毛坯 和加工后的半成品叶片表 面 , 存在类似砂眼状缺 陷 . 对这 种类 型缺 陷进行 了金相观 察 , 并 用 S 一 60 0 扫 描 电镜 和 O R T E C 能 谱分 析夹杂 物 及 合金基 体 的化 学组成 . 2 试验 结果及 讨论 金 相观 察发 现: 除 少数 叶片存 在气孔外 , 绝 大多 数叶片表 面存 在着 类似砂 眼状缺 陷 、 分 布在 叶身 ( 即叶背 、 叶盒部位 ) , 在叶 片桦齿部位也偶 尔 可见 . 更为 严 重 的是 , 有 时在 经 初 检 和 X 射线探 伤合 格 、 再 经磨 加工后 的成 品叶 片的 表 面 上也 会看 到 这 种 缺 陷 . 这表 明这 类 1男 5 一 肠 一 0] 收 稿 第一 作者 女 又 岁 工 程 师
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第 1 卷 第83 期 1 9年9 6月 6 北 京 科 技 大 学 学 报 Jo u rn a lU o f n i e v s i r y t o S f c i e 二 a n nCe d T l l n o l o eygi B j i n g V o l . 1 8 N o . 3 皿 1 J 9 9 6 K 合6 金铸造叶片质量分析 赵俊华 北 京 科 技 大 学 材料 科 学 与 工 程 系 , 北 京 1(联】8 3 滴要 应用 金相显微镜和 扫描电镜 以及 X 射线能谱分析了 K 6 合金 铸造 叶片的 质量 问题 . 结 果表 明: K 6 合金铸造叶片报废 的主 要原因 在于非金属 夹杂物在浇 注成 型时混 入合金 叶片 中造成 的 因此需要严格控制 K 6 母合金质量和 选 择合理的 重熔 浇注 工 艺参数 . 关键词 高温合金 , 叶片 , 月 属 夹杂物 , 铸造 , 质量 中图分类号 T F l l . 18 , 产 , 非金 T G Z印2 6K 合金适用于 制做 8功 ℃ 以下长期使用的涡轮叶片 、 导向叶片等高温部件 . 在 采用 该合金 研制 21 萨 发动机的单级涡轮叶片过程中 , 往往 出现一些夹渣 、 复相 夹杂 和气孔等缺 陷 , 影 响 了 毛坯 质量 , 引致叶片报废 . 为此本 文利用金相显微镜 和扫 描 电镜 (S E M ) , X 射 线能谱 对 K 6 合 金铸造 叶片 的缺陷产 生的原 因进行 了分析 , 提出了改善 叶片冶金质量的途径 l ’ ] . 1 试验方法 采用 真空感 应炉熔炼 母合金 , 用 熔模精密铸造 法铸造涡 轮叶 片 . 真空感 应重 熔时 , 浇注 温度 控制 为 1 4 50 ℃ , 模壳温度 为 9 0 ℃ . 对叶 片 毛 坯 进 行初 检 ( 包括 化 学 成 分 、 力学 性 能 、 表 面质量 、 叶形 、 晶粒度 及 X 射 线探伤等 检验 ) 后 , 再将 合格 毛坯进行 磨加工 , 制取合 格 叶片 . 试验合 金 的化学 成分见 表 1 . 表 1 试验合金 的化学成分 / % 炉 号 C C r M o AI T I B rZ N I eF s i M n P S D 85 一 l肠9 0 . 16 15 一 49 53 6 3 . 62 2 . 58 0 . 08 7 0 . 的 余 04 7 < 0 2 < 0 . 1 0 . 田8 0 . 田8 D 85一 1670 01 7 15 . 4 5 53 6 3石2 2 . 印 0D 83 0 . 08 余 03 7 < 0 . 2 < 0 . 1 0 . 田8 0 . 田7 D 85一 167 1 0 . 1 5 15 . 1 7 53 6 3 . 68 2乃8 0 . 08 1 0D 7 余 03 2 < 0 . 2 < 0 . 1 0 . 田8 0 . 田7 研 制过 程 中发现 , 有 些 叶片毛坯 和加工后的半成品叶片表 面 , 存在类似砂眼状缺 陷 . 对这 种类 型缺 陷进行 了金相观 察 , 并 用 S 一 60 0 扫 描 电镜 和 O R T E C 能 谱分 析夹杂 物 及 合金基 体 的化 学组成 . 2 试验 结果及 讨论 金 相观 察发 现: 除 少数 叶片存 在气孔外 , 绝 大多 数叶片表 面存 在着 类似砂 眼状缺 陷 、 分 布在 叶身 ( 即叶背 、 叶盒部位 ) , 在叶 片桦齿部位也偶 尔 可见 . 更为 严 重 的是 , 有 时在 经 初 检 和 X 射线探 伤合 格 、 再 经磨 加工后 的成 品叶 片的 表 面 上也 会看 到 这 种 缺 陷 . 这表 明这 类 1男 5 一 肠 一 0] 收 稿 第一 作者 女 又 岁 工 程 师
…258· 北京科技大学学报 1996年No.3 宏观缩孔类缺陷主要是由于浇注时合金液温度偏低，补缩不良所致， 综上所述，叶片毛坯表面和加工后叶片表面上的非金属夹杂物是影响叶片冶金质量的重要 因素，这些夹杂物大部分为外来夹杂，形成这些复相夹杂物的原因可能是：母合金纯洁度不 高，在重熔时杂质又没有去除干净；重熔与浇注工艺控制不当，除膜不彻底，氧化膜随钢液 在浇注时卷入型壳中没来得及上浮而混入叶片铸件内部，另外，叶片的叶盆形状使得夹杂物 更难于上浮，因而使夹杂物聚集在叶盆内侧也是原因之一， 3结论 (1)大量复相氧化物夹杂的混入，是造成K6合金报废的主要原因， (2)熔炼母合金的原材料应力求纯净，真空感应炉熔炼的K6母合金，其化学成分、性 能应符合设计要求，其表面也要经过打磨或扒皮处理，以减少氧化物和夹杂物的数量· (3)重熔浇注时应保证有足够高的真空度，将氧化膜去除干净，并选择合适的注温、注 速及采用带电浇注等措施· 参考文献 1李静媛.钢和钼中夹杂物的鉴定，北京：科学出版社，1988.213 2李代钟，钢中非金属夹杂物，北京：科学出版社，1983.234 Quality Analysis of Cast K6 Alloy Blades Zhao Junhua Department of Materials Science and Engineering.USTB.Beijng 100083,PRC ABSTRACT The defective cast blades blanks of K6 alloy are examined by means of optical,Scanning Electron Microscopy (SEM)and Energy Dispersive X-ray Spetrum (EDS).The results show that the main reason of discarded blades is the existence of non-metallic inclusions in cast K6 alloy getting into cast blades blanks in process of casting mould.Therefore,it is necessary to control the quality of raw and processed materi- als of K6 alloy and to select suitable technological parameters for melting and casting. KEY WORDS superalloy,blade,non-metallic inclusion,casting,quality
· 258 . 北 京 科 技 大 学 学 报 19 96 年 N O . 3 宏观 缩孔 类缺 陷 主要是 由于 浇注 时合 金液 温度偏 低 , 补缩不 良所致 . 综上 所述 , 叶片毛 坯表 面 和 加工后 叶片表 面上的非金属夹杂物是影 响叶片冶金质量的重要 因素 . 这 些夹杂 物大部 分 为外来夹杂 . 形 成这 些复相 夹杂物 的原 因可能是 : 母 合金 纯洁度不 高 , 在 重熔 时杂 质又没 有 去除干净 ; 重熔 与浇 注工 艺控制 不 当 , 除膜不彻底 , 氧化 膜随钢液 在 浇注 时卷人 型 壳中没 来得 及上 浮而混人 叶片铸 件 内部 . 另外 , 叶片 的叶盆形状使 得夹杂物 更 难于上 浮 , 因而使夹 杂物 聚集在 叶盆 内侧也 是原 因之一 . 3 结论 ( l) 大 量复相 氧 化物夹杂 的混人 , 是 造成 K 6 合金报 废的主要 原因 . ( 2) 熔炼母 合金 的原材 料应 力求纯净 . 真空感 应炉 熔炼 的 K 6 母 合金 , 其化 学 成 分 、 性 能 应符 合设计 要 求 , 其 表 面也要经 过打磨 或扒皮 处理 , 以 减 少氧化 物和夹杂 物 的数量 . ( 3) 重 熔浇 注 时应保证 有足 够高的真空度 , 将 氧化 膜去除 干净 , 并选 择合适 的注温 、 注 速 及采 用带 电浇 注等措 施 . 参 考 文 献 1 李静媛 . 钢和 钥中夹杂物的鉴定 . 2 李代钟 . 钢 中非金属 夹杂物 . 北 京 北京: 科学出版社 , 198 . 2招 科学出版社 , 1983 . 234 Qua lit y A n a lys i s o f C a s t K 6 lA l o y B l a d es Z h a o uJ n h u a eD P a rt ~ t o f M a t e ir als S a en ce a n d E卿 n e ir n g , US T B , eB ij ng 10 〕〕83 , P R C A B S T R A 〔月 , T h e d e fe e t i v e e a s t b l a d e s b l a n k s o f K 6 a ll o y a r e e x a m i n e d b y m e a n s o f o P t i e a l , S e a n n i n g E l e e t r o n M i e r o s e o P y ( S E M ) a n d E n e r g y D i s P e sr i v e X 一 r a y S P e t r u m (E D S ) . T h e r e s u lt s s h o w t h a t t h e m a i n r e a s o n o f d i s ca r d e d b l a d es 1 5 t h e e x i s t e n e o f n o n 一 me t a lli e i n c l u s i o n s i n c a s t K 6 a ll o y g e t t i n g i n t o ca s t b l a d e s b l a n k s i n P r o ces s o f c a s t i n g m o u ld . T h e r e fo r e , it 1 5 n e ce s s a r y t o e o n t r o l t h e q u a lit y o f r a w a n d P r o e s s e d m a t e r i - a 1 5 o f K 6 a ll o y a n d t o s e l e e t s u it a b l e t e c h n o l o g i e a l P a r a m e t e sr fo r m e l t i n g a n d c a s t i n g . K E Y W O R I万 s u P aer l o y , b la d e , n o n 一 n le at l i e i n d us i o n , ias t i n g , q au lit y