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【新刊速览】张海宝：冷却速率对N06625合金凝固过程微观偏析的影响

时间：2023-01-10 来源：浏览：

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冷却速率对N06625合金凝固过程微观偏析的影响

张海宝，刘福斌，李花兵，耿鑫，姜周华

(东北大学冶金学院，辽宁沈阳 110819)

摘要

高温合金铸锭在凝固过程中各部分冷却条件不同，中心部分冷却速率缓慢。为了模拟铸锭内部的缓慢冷却速率，通过超高温激光共聚焦扫描显微镜(HT-CLSM)、钨灯丝扫描电子显微镜(SEM)、光学显微镜(OM)并结合相关计算，研究了N06625合金在不同冷却速率(10、20、30 ℃/min)下的凝固偏析和微观组织演变状况。结果表明，随着冷却速率升高，析出相的数量、尺寸和面积分数降低，且聚集程度降低，形状由大尺寸长条状和大块状转变为小条状和小块状；Laves相呈块状和条状在枝晶间析出，随着冷却速率降低，Laves相的尺寸和数量增大，聚集程度增加。枝晶干芯部Nb和Mo元素的质量分数以及Nb的有效分配系数( k _e ［Nb］)和Mo的有效分配系数( k _e ［Mo］)随冷却速率增大而增大，在所研究冷速范围内都表现出很强烈的偏析倾向， k _e ［Nb］分别为0.46、0.55和0.62， k _e ［Mo］分别为0.73、0.77和0.80，且 k _e ［Nb］的变化趋势更加明显。采用Clyne-Kurz偏析模型并结合试验中的数据，对Nb和Mo元素偏析程度的具体变化趋势进行定量表征，结果表明在N06625合金凝固过程中，冷却速率越低或固相分数越大，残余液相中Nb和Mo元素的质量分数上升速率越快。

关键词

N06625合金；原位观察；冷却速率；凝固偏析；Laves相

引言

N06625合金是一种以Nb和Mo为主要强化元素的固溶强化型镍基变形高温合金，具有优异的抗腐蚀能力、冷热加工性能及焊接性能，主要应用于燃气轮机发动机、核动力设备、化工硬件和海水专用设备的管道系统，是航空、航天和化工等工业热端部件的制造材料。电渣重熔工艺能控制顺序凝固，铸锭凝固过程中心冷却速率为4.3~30.0 ℃/min (铸锭直径为200~1 000 mm)，广泛应用于生产特殊钢和镍基高温合金；电渣锭具有均匀致密的凝固组织和良好的表面质量，产品广泛应用于航空航天和石油化工等重要领域。

镍基高温合金在凝固过程中，由于其多组分和非平衡特性，必然发生溶质再分配，使固-液界面变得不再稳定，从而对合金的微观组织产生重大影响。根据这个现象，已有较多研究表征和预测了镍基高温合金在不同工艺条件下的组织、结构、成分等凝固特征及偏析行为的变化规律。此外，针对高温合金快冷速的相关研究表明，冷却速率增大会减轻偏析程度，抑制Laves相的形成，但是会增加晶格缺陷。这些发现提供了许多有价值的凝固信息，为预测和控制不同工艺条件下的偏析行为提供了意见和指导。然而，随着镍基高温合金大型化发展，铸锭内部化学成分不均匀性显著增加，可能会存在凝固特性方面的差异。因此，在实验室条件下，模拟大型铸锭内部的缓慢冷却速率，研究在较低冷速范围内N06625合金的微观偏析情况，可为后续制备高品质N06625合金提供相应理论依据和试验参考。

本文对N06625合金在10、20、30 ℃/min 3个冷却速率下的微观偏析行为进行研究。基于超高温激光共聚焦扫描显微镜(High Temperature Confocal Laser Scanning Microscope, HT-CLSM)的原位观察，采用光学显微镜(OM, Olympus DSX510)、钨灯丝扫描电子显微镜(SEM, Zeiss EVO18)表征手段并结合相关理论计算，以综合评价合金凝固过程中显微组织和形貌的演变。

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