VAR熔炼GH2130镍基合金点状缺陷的分析

2022-12-24 12:35:36 来源：游戏主播网

VAR熔炼GH2130镍基合金点状缺陷的分析

GH2130合金是我国自主研发的Fe-Ni基沉淀强化型高温合金，除采用Al、Ti进行沉淀强化以外。还加入了ｗ强化固溶体，以B、Ce净化、强化晶界，且由于具有较高的热强性能、良好的热加工塑性，主要用于制作航空发动机叶片，海轮动力机增压涡轮、航天器用紧固件等，是国防和经济建设不可缺少的一类重要材料。

早期研究表明，电极重熔可以改善钢的结晶状态，降低钢中气体含量、夹杂物含量，提高钢的纯度，重熔后的钢锭质量比原始单联冶炼的电极质量优越。因此，军工、航空、航天和电子等高精尖用材都采用双联或三联重熔工艺生产。但在重熔过程中，由于工艺制定不够合理或生产异常，也易产生一些低倍缺陷。点偏是一种高温合金重熔过程中易出现的宏观偏析，其对于材料的力学性能有很大影响，而且在均匀化及随后的热加工过程中难以消除。所以，有点偏的部件，必须报废，这一问题严重降低了生产的成材率，并增加了生产成本。本文通过该合金的点偏特征，从试验和理论两方面对于点偏问题进行了分析，并探讨了该合金点偏形成的可能原因，改进了原重熔工艺。

１试验材料与方法

本文中GH2130合金采用真空感应冶炼电极和真空自耗重熔钢锭的双联冶炼工艺，然后经锻造轧制成Φ55棒材。合金的化学成分范围控制见表１。

对本次试验合金Φ55棒材头中尾取样，检验低倍点偏缺陷。通过金相显微镜、电子探针等检测方法从形貌、相成分等方面对缺陷进行分析，同时采用Therm-Calc热力学计算软件。对合金缺陷及正常区域的相组成进行计算，并分析凝固过程合金液固相区元素的分布情况。

2.1组织观察

合金棒材横向低倍腐蚀结果如图1所示，图中方框区域标示出部分点偏位置。观察发现，Φ55热轧棒头中尾低倍均有较多黑点，且多分布在R/2到边缘处，而在R/2到中心仅观察到少量黑点。将高倍试样腐蚀，能观察到缺陷处有灰黑色斑区。金相显微镜下，对合金点偏组织和正常组织进行对比，结果如图2所示。观察可见，在低倍横剖面或纵剖面。缺陷区域与正常组织的晶粒度大小基本相当，但合金的正常基体组织中仅局部有少量分散的一次碳化物，而点状缺陷区域则有大量形状不规则、大小不一的黑灰色析出聚集相。

由图2可见，偏聚析出相在缺陷区域呈条带状分布，宽度约300～600μm，进一步观察发现，缺陷区主要有两种析出物，一种呈条状、块状，尺寸较大；另一种尺寸较小，呈颗粒状密集分布于晶界中。图3为缺陷区聚集的小颗粒状和块状析出相。

2.2成分分析

采用EPMA（电子探针）对缺陷区域析出物进行成分分析，结果表明，缺陷区域有两种析出相，这与上述金相观察一致。EDS（X射线能谱仪）显示，较细小的颗粒状析出相富含Ti、Cr、W等元素；较大块状析出相富含C、Ti、Ni、W等元素。从表2数据可以初步判断，其中较大块状析出物应为钛的碳化物。

对缺陷区域进行面扫描，检测到平均成分如表3所示，可见该区域存在Ti、W等元素的富集。这些元素在重熔凝固过程中向枝晶间严重偏聚，形成大量碳化物和LAVES相聚集区，腐蚀后在低倍呈现黑色点状缺陷。

2.3热力学计算研究

为了更深入了解该合金点偏区域的相变特征，采用热力学计算方法对合金液固两相区中各元素热力学分配行为进行计算，并以合金成分进行热力学分析，计算结果见图4。

表4所示为各相计算成分，结合上述缺陷分析可以确定，缺陷区中富含Ti、C的较大块状析出物为一次碳化物，而富含Ti、Cr、W的小颗粒析出相为Laves相。

由文献可知，在凝固过程中，冷却速度对合金液态中元素的最终分配影响很大，并将遗传至固态。当合金正常凝固时，两相区枝晶干逐渐生长，溶质元素富集的熔体与正常熔体之间由于密度不同，产生流动，部分溶质元素将排入临近枝晶间残余熔体中。此时若熔化速度过快、熔池较深、凝固速度相对偏低时，枝晶间液流会跨越若干枝晶干呈一通道流动，汇聚凝固后则形成点偏，在低倍腐蚀条件下呈黑灰色斑点状。由此可知，对于该合金，当VAR熔速设定过高，致C、Ti、W偏聚到一定程度，则必定会导致合金点偏的出现，同时也将直接影响到后续合金的加工及使用性能。

3工艺改进

由于GH2130合金热轧棒材在整支长度方向均发现了点偏，根据该特征可以推断引起点偏的原因必定是伴随整个重熔过程的，而不是过程的某一个异常现象。由于伴随整个重熔过程的参数包括熔速、弧长、熔炼气氛三个参数，而从自耗重熔的现场数据分析，熔炼气氛并无明显异常，因此最有可能导致点偏的主要是熔速、弧长以及整个过程的稳定性。基于上述分析，对钢锭重熔工艺进行调整，将关键参数熔速较原工艺调低0.5kg/min，并调整相关参数值，然后在合金轧制成棒材后再次于Φ55热轧棒成品头尾取低倍样检测，腐蚀结果如图5所示。低倍样均未见点状缺陷，且理化性能也完全达到了标准要求。