不同稀土元素添加量对K465合金微观组织与力学性能的影响.pdf

２０１４年８月—第８期第４６５Ｏ页材料工程ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＡｕｇｕｓｔ２０１４—Ｎｏ．８ＰＰ．４６５０不同稀土元素添加量对Ｋ４６５合金微观组织与力学性能的影响—ＥｆｆｅｃｔｓｏｆＲａｒｅｅａｒｔｈＥｌｅｍｅｎｔｓＣｏｎｔｅｎｔｏｎＭｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＫ４６５Ｓｕｐｅｒａｌｌｏｙ王定刚，肖程波，宋尽霞，李青，余乾（北京航空材料研究院先进高温结构材料重点实验室，北京１０００９５）———ＷＡＮＧＤｉｎｇｇａｎｇ，ＸＩＡＯＣｈｅｎｇｂｏ，ＳＯＮＧＪｉｎｘｉａ，ＬＩＱｉｎｇ，ＹＵＱｉａｎ（ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｎＡｄｖａｎｃｅｄＨｉｇｈＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＳｔｒｕｃｔｕｒａｌＭａｔｅｒｉａｌｓＬａｂｏｒａｔｏｒｙ，ＢｅｉｊｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌＭａｔｅｒｉａｌｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００９５，Ｃｈｉｎａ）摘要：利用金相技术和扫描电镜（ｓＥＭ）观察分析了稀土元素（Ｃｅ＋Ｙ）含量对Ｋ４６５合金微观组织的影响，并测试了合金的室温瞬时拉伸性能和高温持久性能。结果表明：（ｃｅ＋Ｙ）含量为０．０３（质量分数，下同）的合金碳化物变质处理后形态良好，高温持久性能大幅提高；（Ｃｅ＋Ｙ）含量为０．０６的合金枝晶间区大块相的边缘析出富（Ｃｅ＋Ｙ）相，从而使合金的持久性能明显下降。关键词：Ｋ４６５合金；稀土元素；微观组织；力学性能—ｄｏｉ：１０．１１８６８／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１４３８１．２０１４．０８．００９‘中图分类号：ＴＧ１３２．３。２文献标识码：Ａ———文章编号：１００１４３８１（２０１４）０８００４６０５—Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆ（Ｃｅ＋Ｙ）ｃｏｎｔｅｎｔｏｎｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＫ４６５ｓｕｐｅｒａｌｌｏｙｗａｓｅｘａｍｉｎｅｄｂｙｍｅｔ—ａｌｌｏｇｒａｐｈｙｔｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄｓｃａｎｎｉｎｇｅｌｅｃｔｒｏｎｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ（ＳＥＭ）．Ｔｈｅｔｅｎｓｉｌｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓａｔｒｏｏｍｔｅｍｐｅｒ——ａｔｕｒｅａｎｄｔｈｅｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｔｒｅｓｓｒｕｐｔｕｒｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｗｅｒｅｔｅｓｔｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙｏｆｃａｒｂｉｄｅｓｃａｎｂｅｗｅｌｌｍｏｄｉｆｉｅｄｂｙａｄｄｉｔｉｏｎ０．０３（ｍａｓｓｆｒａｃｔｉｏｎ）ｏｆ（Ｃｅ＋Ｙ）ｗｈｉｃｈｉｎｄｕｃｅｓ——ｔｈｅｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｏｆｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｔｒｅｓｓｒｕｐｔｕｒｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ．Ｔｈｅｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｔｒｅｓｓｒｕｐｔｕｒｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｄｅｃｒｅａｓｅｄｕｅｔｏｔｈｅｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎｏｆｒｉｃｈ（Ｃｅ＋Ｙ）ｐｈａｓｅｓｂｅｓｉｄｅｓｔｈｅｌａｒｇｅｓｉｚｅＹｐｈａｓｅｓｉｎｔｈｅｉｎｔｅｒｄｅｎｄｒｉｔｉｃａｒｅａｗｈｉｌｅａｄｄｉｎｇ０．０６９／６ｏｆ（Ｃｅ＋Ｙ）．—Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｋ４６５ｓｕｐｅｒａｌｌｏｙ；ｒａｒｅｅａｒｔｈｅｌｅｍｅｎｔ；ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｙＫ４６５合金是一种耐热的普通铸造高温合金，通过添加大量的Ｍｏ，Ｗ，Ｎｂ等难熔强化元素，该合金具有了优异的高温性能，适用于ＩＯ００￣Ｃ左右工作的航空发动机涡轮叶片、涡轮导向叶片以及其他高温结构件，目前已在航空领域获得了广泛的应用ｌ＿１］。Ｋ４６５合金中含有Ｃｅ，Ｙ两种稀土元素，是该合金的另一重要特征。关于稀土元素在高温合金中的作用，已有不少科研人员在这方面开展了大量的研究工作。Ｃｕｅｆｌ等，徐志超等引，郭建亭等［６进行了稀土元素作用及控制方面的研究。结果表明，将适量有益元素加入到高温合金中可显著提高其持久性能，这是由于微量元素的原子偏聚于晶界，提高晶界结合力，增加晶界强度，或者在晶界析出链状沉淀，阻止晶界滑动和裂纹形成所致。Ｒａｈｍｅｌ等］，Ｂｅｒａｎｇｅｒ等］，ＱＪａｎ等［９开展了稀土元素在合金抗氧化机理方面的研究。结果表明，稀土元素的加入，一方面增大Ａ１Ｏ。氧化膜中的空位浓度，加快ＡｌＯ。氧化膜的形成速率，阻止Ｏ向金属内部扩散；另一方面，加入的稀土元素易与Ｓ等杂质元素结合形成稳定的硫化物，阻碍ｓ向基体／氧化膜界面的偏聚，显著提高氧化膜的黏附性，因而显著提高合金高温抗氧化能力。Ｇｏｌｉｇｈｔｌｙ等ｕ，Ｆｉｓｈｅｒ等口，Ｃａｓｔｅｌｂ等ｎ研究了稀土元素在改善合金抗氧化涂层性能方面的影响。结果表明，稀土元素的加入提高了保护性氧化皮的附着力，降低了氧化速率，改善了涂层的抗氧化性能。Ｗａｎｇ等口。。研究了稀土Ｙ对低膨胀高温合金显微组织和界面的影响，认为第８期不同稀土元素添加量对Ｋ４６５合金微观组织与力学性能的影响４９ＳｐｅｃｉｍｅｎＳｐｅｃｉｍｅｎ图４稀土元素（Ｃｅ＋Ｙ）含量对Ｋ４６５合金力学性能的影响（ａ）室温拉伸性能；（ｂ）９７５＊（２／２２５ＭＰａ条件下的持久寿命Ｆｉｇ．４ＭｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＫ４６５ｓｕｐｅｒａｌｌｏｙｗｉｔｈｖａｒｉｏｕｓｃｏｎｔｅｎｔｏｆ（Ｃｅ＋Ｙ）（ａ）ｔｅｎｓｉｌｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓａｔｒｏｏｍｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ；（ｂ）ｓｔｒｅｓｓｒｕｐｔｕｒｅｌｉｆｅａｔ９７５＂Ｃ／２２５ＭＰａ为０．００５和０．０３％时，枝晶间的粗化程度较弱，长大不明显；而（Ｃｅ＋Ｙ）含量为０．０６９／６时，枝晶间发生了明显的粗化和聚集长大，７数量减少，并在枝晶间区大块７相的边缘易出现富（Ｃｅ＋Ｙ）相。（Ｃｅ＋Ｙ）含量为０．００５９／６和０．０６％时，在合金中均形成汉字形碳化物，而（Ｃｅ＋Ｙ）含量为０．０３的合金中的碳化物以球形或块状为主，且分布均匀。（２）稀土元素（Ｃｅ＋Ｙ）含量为０．００５％和０．０３时对Ｋ４６５合金室温拉伸强度无明显影响，含量为０．０６的Ｋ４６５合金室温拉伸强度及塑性明显下降。（Ｃｅ＋Ｙ）含量为０．０３的Ｋ４６５合金具有最佳的室温℃拉伸塑性。９７５／２２５ＭＰａ下（Ｃｅ＋Ｙ）含量为０．００５和０．０６时Ｋ４６５合金的持久性能远不如（Ｃｅ＋Ｙ）含量为０．０３％的持久性能（３）从７相、碳化物及力学性能等方面考虑，在Ｋ４６５合金中添加（Ｃｅ＋Ｙ）含量为０．０３是最优的。［１］［２］［３］参考文献余乾，肖程波，宋尽霞，等．熔体处理时间对铸态镍基高温合金Ｋ４６５组织和力学性能的影响［Ｊ］．航空材料学报，２００５，２５（１）：—１４．—ＹＵＱ，ＸＩＡＯＣＢ，ＳＯＮＧＪＸ，ｅｔａ１．Ｍｅｌｔｔｒｅａｔｍｅｎｔｔｉｍｅｏｎｍｉ—ｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆａｓ。ｃａｓｔＮｉ、・ｂａｓｅｄｓｕｐｅｒａｌｌｏｙＫ４６５￣Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌＭａｔｅｒｉａｌｓ，２００５，２５（１）：—１４．王定刚，肖程波，张国庆，等．壳型温度对Ｋ４６５合金微观组织和力—学性能的影响［Ｊ］．钢铁研究学报，２００３，１５（７）：２０８２１１．ＷＡＮＧＤＧ，ＸＩＡ０ＣＢ，ＺＨＡＮＧＧＱ，ｅｔａ１．ＥｆｆｅｃｔｏｆｓｈｅｌｌｍｏｕｌｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｎｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｓｕｐｅｒａｌｌｏｙＫ４６５ＥＪ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＩｒｏｎａｎｄＳｔｅｅｌＲｅｓｅａｒｃｈ，２００３，１５—（７）：２０８２１１．张宏炜，肖程波，王定刚，等．不同冷却方式对Ｋ４６５合金组织和力—学性能的影响口］．材料工程，２００２，（１２）：３３３５．ＺＨＡＮＧＨＷ，ＸＩＡ０ＣＢ，ＷＡＮＧＤＧ，ｅｔａ１．Ｅｆｆｅｃｔｏｆｃｏｏｌｉｎｇ—ｗａｙｓｏｎｔｈｅｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＫ４６５ａｌ—ｌｏｙ￣Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００２。（１２）：３３３５．—［４］ＣＵＥＦＬＲ，ＢＵＳＣＡＩＬＨ，ＣＡＵＤＲＯＮＥ，ｅｔ３１．Ｏｘｉｄａｔｉｏｎｏｆａｌｕｍｉ—ｎａｆｏｒｍｅｒｓａｔ１１７３Ｋ：ｅｆｆｅｃｔｏｆｙｔｔｒｉｕｍｏｎｉｍｐｌａｎｔａｔｉｏｎａｎｄｙｔｔｒｉ—ｕｍａｌｌｏｙｉｎｇａｄｄｉｔｉｏｎ［Ｊ］．ＣｏｒｒｏｓｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅ，２００３，４５（８）：１５１８．［５］徐志超，马培立．高温合金中微量元素的作用和控制［Ｍ］．北京：冶金工业出版社．１９８７．４２０～４３８．ＸＵＺＣ．ＭＡＰＬ．ＴｈｅＥｆｆｅｃｔａｎｄＣｏｎｔｒｏｌｏｆＴｒａｃｅＥｌｅｍｅｎｔｓｉｎＳｕｐｅｒａｌｌｏｙｓＥＭ］．Ｂｅｉｊｉｎｇ：ＭｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌＩｎｄｕｓｔｒｙＰｒｅｓｓ，１９８７．４２０—４３８．［６］郭建亭．几种微量元素在高温合金中的作用与机理口］．中国有—色金属学报，２０１１，２１（３）：４６５４７５．ＧＵＯＪＴ．ＥｆｆｅｃｔｓｏｆｓｅｖｅｒａｌｍｉｎｏｒｅｌｅｍｅｎｔｓｏｎｓｕｐｅｒａｌｌｏｙｓａｎｄｔｈｅｉｒｍｅｃｈａｎｉｓｍＳ－Ｊ］．ＴｈｅＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＮｏｎｆｅｒｒｏｕｓＭｅｔａｌｓ，—２Ｏ１１，２１（３）：４６５４７５．［７］ＲＡＨＭＥＬＡ，ＳＣＨＵＴＺＥＭ．Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌａｓｐｅｃｔｓｏｆｔｈｅｒａｒｅｅａｒｔｈ——ｅｆｆｅｃｔＥＪ］．ＯｘｉｄａｔｉｏｎｏｆＭｅｔａｌｓ，ｌ９９２，３８（３４）：２５５２６６．Ｉｓ］王龙妹，杜挺，卢先利，等．微量稀土元素在钢中的作用机理及应用研究口］．稀土，２００１，２２（４）：３７－－４０．—ＷＡＮＧＬＭ，ＤＵＴ，ＬＵＸＬ，ｅｔａ１．Ｓｔｕｄｙｏｆｂｅｈａｖｉｏｒｓａｎｄａｐ—ｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｍｉｃｒｏｒａｒｅｅａｒｔｈｅｌｅｍｅｎｔｓｉｎｓｔｅｅｌ［Ｊ］．ＣｈｉｎｅｓｅＲａｒｅ—Ｅａｒｔｈｓ，２００１，２２（４）：３７４０．—［９］ＱＩＡＮＹＨ，ＬＩＭＳ，ＤＵＯＳＷ，ｅｔａ１．ＥｆｆｅｃｔｏｆＣｅｉｏｎｉｍｐｌａｎｔａｔｉｏｎｕｐｏｎｏｘｉｄａｔｉｏｎｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｏｆｓｕｐｅｒａｌｌｏｙＫ３８Ｇ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ—ｏｆＲａｒｅＥａｒｔｈｓ，２００５，２３（１）：６３６７．［ｉｏ］ＧＯＬＩＧＨＴＬＹＦＡ，ＳＴＯＴＴＦＨ，ＷＯＯＤＧＣ．Ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆ————ｙｔｔｒｉｕｍａｄｄｉｔｉｏｎｓｏｎｔｈｅｏｘｉｄｅｓｃａｌｅａｄｈｅｓｉｏｎｔｏａｎｉｒｏｎ－ｃｈｒｏｍｉ－—ｕｍ－ａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙ［Ｊ］．ＯｘｉｄａｔｉｏｎｏｆＭｅｔａｌｓ，１９７６，１０（３）：１６３１８７．［１１］ＦＩＳＨＥＲＧ，ＤＡＴＴＡＰＫ，ＢｕＭＥＬＬＧＲＡＹＪＳ，ｅｔａｌ，Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆａｃｔｉｖｅｅｌｅｍｅｎｔａｄｄｉｔｉｏｎｓｏｎｔｈｅｏｘｉｄａｔｉｏｎｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ—ｏｆａｐｌａｔｉｎｕｍａｌｕｍｉｎｉｄｅｃｏａｔｉｎｇａｔｌｌＯ０￣ＣＦＪ］．Ｓｕｒｆａｃｅ＆Ｃｏａｔ—ｉｎｇｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１９９８，１１０（１）：２４３０．—［１２］ＣＡＳＴＥＬＬＯＰ，ＳＴＯＴＴＦＨ，ＧＥＳＭＵＮＤＯＦ．Ｙｔｔｒｉｕｍ－ｐｒｏｍｏ℃ｔｅｄｓｅｌｅｃｔｉｖｅｏｘｉｄａｔｉｏｎｏｆａｌｕｍｉｎｉｕｍｉｎｔｈｅｏｘｉｄａｔｉｏｎａｔ１１００ｏｆ——ａｎｅｕｔｅｃｔｉｃＮｉＡＩＣｒｓＣｚａｌｌｏｙ［Ｊ］．ＣｏｒｒｏｓｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅ，１９９９，４１—（５）：９０９５．∞鲫加印如如加ｍ∞∞∽ＩＩ／ＩＩ２暑口云Ｑ扫暑日８鱼ｇ昌０ｏＪ高扫ＩＩｔｌ口—苣Ｉｌ葛矗Ｑ暑薯００Ｊ葛ＩＩｏｈｌＳ一Ｉｌｏ５０材料工程２０１４年８期［１３］［１４］［１５１———ＷＡＮＧＲｏｎｇｒｕｉｎｇ，ＨＡＮＹａｆａｎｇ，ＥＬＩＥＺＥＲＤ．Ｅｆｆｅｃｔｓｏｆｙｔｔｒｉｕｍｏｎｔｈｅｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓａｎｄｉｎｔｅｒｆａｃｅｓｉｎａｌｏｗｅｘｐａｎｓｉｏｎｓｕｐｅｒａｌｌｏｙ［Ｊ］．ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ，２００１，１４（３）：１７１—１７．周永军，张国英，王兆阳，等．稀土对镍基高温合金性能影响的电—子理论研究［Ｊ］．稀有金属，２００８，３２（６）：７３１７３４．—ＺＨＯＵＹＪ，ＺＨＡＮＧＧＹ，ＷＡＮＧＺＹ，ｅｔａ１．Ｓｔｕｄｙｏｎｉｎｆｌｕ—ｅｎｃｅｏｆｒａｒｅｅａｒｔｈｅｌｅｍｅｎｔｓｏｎｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＮｉｂａｓｅｓｕｐｅｒａｌｌｏｙｓｔｈｒｏｕｇｈｅｌｅｃｔｒｏｎｔｈｅｏｒｙ［Ｊ］．ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＲａｒｅＭｅｔａｌｓ・—２００８，３２（６）：７３１７３４．邓波，冯涤，王旭东，等．稀土元素钇对低膨胀合金ＧＨ９０９组织—和性能的影响［Ｊ］．钢铁研究学报，２００３，１５（７）：１１１１１４．ＤＥＮＧＢ，ＦＥＮＧＤ，ＷＡＮＧＸＤ，ｅｔａ１．ＥｆｆｅｃｔｏｆｙｔｔｒｉｕｍｏｎｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｐｒｏｐｅｒｔｙｏｆｌｏｗｅｘｐａｎｓｉｖｅｓｕｐｅｒａｌｌｏｙＧＨ９０９［１６］［１７］—［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＩｒｏｎａｎｄＳｔｅｅｌＲｅｓｅａｒｃｈ，２００３，Ｉ５（７）：ＩＩ１１１４．—ＸＩＡＯＣＢ，ＨＡＮＹＦ．ＥｆｆｅｃｔＯｆｙｔｔｒｉｕｍｏｎｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｌｙｓｏｌｉｄｉｆｉｅｄＮｉ３Ａ１ｂａｓｅａｌｌｏｙＩＣ６［］］．Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｆ—ＮｏｎｆｅｒｒｏｕｓＭｅｔａｌｓＳｏｃｉｅｔｙＯｆＣｈｉｎａ，１９９９，（Ｓｕｐｐｌ１）：３３５３３９．ＸＩＡＯＣＢ，ＨＡＮＹＦ，ＺＨＡＮＧＸＡ．Ｅｆｆｅｃｔｏｆｓｉｌｉｃｏｎｏｎｔｈｅｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｙｔｔｒｉｕｍｍｏｄｉｆｉｅｄ—Ｎｉ３Ａ１ｂａｓｅａｌｌｏｙＩＣ６［Ｊ］．ＡｃｔａＭｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａＳｉｎｉｃａ：ＥｎｇｌｉｓｈＬｅｔ—ｔｅｒｓ，１９９８，１１（６）：４３７４４１．———收稿日期：２０１４０４２８；修订日期：２０１４－０７３０通讯作者：王定刚（１９７８一），男，硕士，主要从事铸造高温合金方面研究工作，联系地址：北京市８１信箱１分箱（１０００９５），Ｅ－ｍａｉｌ：ｗａｎｇｄｉｎｇｇａｎｇ＠１６３．ｃｏｒｎ