上海雄鋼特種合金有限公司

Inconel706合金是在Inconel718合金基礎(chǔ)上，為了改善機(jī)加工性能而發(fā)展起來(lái)的一種沉淀強(qiáng)化型鐵鎳基高溫合金，與Inconel718合金相比，Inconel706合金不含Mo，降低了Ni，Cr，Nb含量，增加了Ti，F(xiàn)e含量，由此該合金的切削性能得到改善，并超過(guò)了Inconel718合金與其它鎳基和鐵基高溫合金。與Inconel718合金相似，該合金也是通過(guò)具有A3B型結(jié)構(gòu)共格彌散析出的γ'和γ''相強(qiáng)化奧氏體基體，合金成分和熱處理制度對(duì)強(qiáng)化相析出方式有較大的影響。

黑斑（Freckle）是高溫合金中普遍出現(xiàn)的一種宏觀偏析。由于黑斑具有較大的尺寸（直徑大于1mm），難以在以后的熱加工工藝中加以消除，所以有黑斑的部件必須報(bào)廢，嚴(yán)重限制了高溫合金錠型的擴(kuò)大和發(fā)展。一般認(rèn)為，黑斑在很大程度上取決于合金成分和合金化元素的種類(lèi)及冶煉工藝。黑斑及其周?chē)w成分和組織通常存在差別，如Inconel718合金黑斑中富Nb和Ti等，從而含有過(guò)量的δ和Laves相[7]。當(dāng)然，對(duì)黑斑的界定，目前在理論研究和應(yīng)用研究方面還需進(jìn)一步的工作，但對(duì)高溫合金在黑斑產(chǎn)生后詳細(xì)的組織特征進(jìn)行分析對(duì)回答以上問(wèn)題有很大的幫助。本研究通過(guò)對(duì)Inconel706合金微觀組織及黑斑特征的對(duì)比分析，給出Inconel706合金黑斑的組織特征行為。

1材料及方法

對(duì)于實(shí)驗(yàn)用Inconel706合金，經(jīng)三聯(lián)工藝（VIM+ESR+VAR）冶煉，在最后的VAR冶煉過(guò)程中因出現(xiàn)電流的暫短中斷而造成鋼錠在隨后的分析中發(fā)現(xiàn)黑斑的存在。為了對(duì)該合金黑斑產(chǎn)生后組織特點(diǎn)有較全面的了解，對(duì)存在黑斑的Inconel706合金黑斑區(qū)的組織特征進(jìn)行了仔細(xì)的分析，并對(duì)比分析了黑斑缺陷區(qū)和合金正常區(qū)的相變行為和分布特征，在此基礎(chǔ)上，利用熱力學(xué)平衡相計(jì)算方法，結(jié)合相應(yīng)的鎳基熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)合金正常區(qū)和黑斑區(qū)的相分布規(guī)律進(jìn)行了計(jì)算分析，并且對(duì)合金在凝固過(guò)程中合金元素在枝晶間的液態(tài)平衡分配行為進(jìn)行了計(jì)算分析。由此，從實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算兩方面對(duì)Inconel706合金黑斑形成規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)研究，為Inconel706合金的黑斑控制與預(yù)測(cè)奠定實(shí)驗(yàn)和理論基礎(chǔ)。

合金經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)熱處理：980℃，1hAC+730℃，8h以55℃/h爐冷至620℃，8hAC，合金的化學(xué)成分列于表1。

2結(jié)果與討論

標(biāo)準(zhǔn)熱處理采用固溶加雙時(shí)效處理，合金經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)熱處理后正常區(qū)的基本組織為分離析出的彌散強(qiáng)化相γ''和γ'，少量的晶界碳化物和長(zhǎng)條狀的η和δ相。圖1為經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)熱處理后的TEM照片。彌散析出的γ''相大約為20nm左右，由于γ'很小而難以分辨，但從衍射分析可以認(rèn)為，此時(shí)γ''和γ'均已析出。有些晶界上有分離的鏈狀碳化物存在，而經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)熱處理后長(zhǎng)板條狀的η(δ)相含量較少(η和δ相從形貌上難以區(qū)分)。

對(duì)合金中的黑斑區(qū)進(jìn)行仔細(xì)觀察，其黑斑的宏觀形貌如圖2所示。試樣上有較多的黑斑斑點(diǎn)，斑點(diǎn)分布較為密集。在金相顯微鏡下進(jìn)行黑斑區(qū)和正常區(qū)的對(duì)比觀察，結(jié)果如圖3所示。無(wú)論是在橫剖面上還是縱剖面上，黑斑區(qū)的枝晶都比正常區(qū)的細(xì)小，枝晶間析出相的大小和數(shù)量，以及灰區(qū)的深淺和大小都遠(yuǎn)遠(yuǎn)地大于正常區(qū)，尤其是縱剖面上，幾乎完全被各種析出相所覆蓋?？v剖面的枝晶間偏析程度要大于橫剖面，是因?yàn)楸竞辖鸬哪讨饕菑南孪蛏夏蹋匆淮沃菑南孪蛏仙L(zhǎng)，縱剖面截得的枝晶大多是二次或更高次的枝晶，枝晶臂更細(xì)小，枝晶間的空間更大，所以偏析程度就大。在高倍數(shù)下觀察可以更清楚地看到兩個(gè)區(qū)域中枝晶間析出相的差別。

經(jīng)掃描電鏡觀察認(rèn)為合金正常區(qū)和黑斑區(qū)枝晶間各析出相的形貌基本一樣，但正常區(qū)中各相明顯比黑斑區(qū)細(xì)小。對(duì)兩個(gè)區(qū)域進(jìn)行Nb的背散射分析，可以發(fā)現(xiàn)枝晶間塊狀析出相中富含Nb，而且黑斑區(qū)的含量更多。對(duì)黑斑區(qū)的各種析出相進(jìn)行SEM觀察，結(jié)果如圖4所示。析出相根據(jù)形貌可以分為3種：塊狀、片狀和顆粒狀。塊狀和片狀析出相大都分布在枝晶間，而顆粒狀析出相則大都分布在枝晶內(nèi)部，也有少量彌散分布在枝晶間片狀相之間。黑斑區(qū)中的顆粒比正常區(qū)顆粒大而多，而且有不少小顆粒已經(jīng)聚集或長(zhǎng)大成大顆粒，顆粒的大小還隨著離枝晶邊緣距離的減小而增大。正常區(qū)無(wú)論是在枝晶間，還是在枝晶內(nèi)部，片狀相的數(shù)量和大小都明顯不如黑斑區(qū)。黑斑區(qū)的一些大塊狀相本身就已經(jīng)開(kāi)裂，所以黑斑的存在對(duì)合金力學(xué)性能的影響就不言而喻了。

仔細(xì)分析可以得到，正常區(qū)的顆粒尺寸約為0.06μm~0.09μm，塊狀相約為3μm~5μm；黑斑區(qū)的顆粒尺寸約為0.3μm~0.5μm，塊狀相平均約為20μm~40μm，甚至還有達(dá)到80μm的大塊狀相。大量電子衍射花樣和EDS分析結(jié)果說(shuō)明顆粒狀相主要是MC型碳化物，其次是η；片狀相和塊狀相主要是η，Laves和MC相。正常區(qū)和黑斑區(qū)析出相的EDS分析和結(jié)果如表2所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明，Inconel706合金中的主要析出相是具有面心立方點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)（a=0.418nm~0.468nm）的MC型碳化物；具有六方點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)（a=0.511nm，c=0.845nm）化學(xué)式接近A3B的η相；具有六方點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)（MgZn2型，a=0.473nm，c=0.774nm）化學(xué)式接近A2B的Laves相。以上化學(xué)式中的A一般代表Ni，F(xiàn)e，Cr等元素，B一般代表Nb，Ti，Al等元素。黑斑區(qū)極度富集各種大尺寸、甚至超大尺寸析出相。

對(duì)黑斑區(qū)進(jìn)行面掃描，獲得黑斑區(qū)的平均成分如表3所示?？梢?jiàn)在黑斑區(qū)富集Nb，Ti和Al，這些元素向枝晶間嚴(yán)重偏聚，導(dǎo)致黑斑區(qū)形成大量大尺寸的Laves相和碳化物等，幾乎完全覆蓋了黑斑區(qū)。這些相在高溫下的析出，阻礙了枝晶的生長(zhǎng)，因此黑斑區(qū)的枝晶比正常區(qū)細(xì)小。但是η，MC和Laves相的析出并沒(méi)有消耗多少Cr元素，因此在黑斑區(qū)枝晶間的大塊狀相和片狀相附近不存在貧Cr區(qū)，所以黑斑區(qū)的易腐蝕性不是貧鉻效應(yīng)的結(jié)果，而應(yīng)歸因于大量析出相的存在和枝晶間空間的增多。

為了更好地分析Inconel706合金中黑斑區(qū)的相變規(guī)律，采用Thermo-Calc相平衡計(jì)算和熱力學(xué)評(píng)估體系與相應(yīng)的Ni基數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行熱力學(xué)模擬計(jì)算，通過(guò)利用系統(tǒng)中各相的熱力學(xué)特征函數(shù)嚴(yán)格的熱力學(xué)關(guān)系，建立熱力學(xué)模型，將相圖和各種熱力學(xué)數(shù)據(jù)聯(lián)系起來(lái)，從而計(jì)算出系統(tǒng)中所有的熱力學(xué)信息，得到可能析出的平衡相，揭示各相的析出規(guī)律。圖5為采用表3中的合金成分和對(duì)應(yīng)黑斑區(qū)的平均成分進(jìn)行的熱力學(xué)平衡相計(jì)算結(jié)果。對(duì)比正常區(qū)和黑斑區(qū)的熱力學(xué)平衡相計(jì)算結(jié)果，兩者均存在η，δ，一次碳化物，γ′相和Laves相，但數(shù)量卻有明顯不同，主要是黑斑區(qū)Laves相明顯增加，對(duì)應(yīng)的η和δ相的含量也有相應(yīng)的增加，這與實(shí)驗(yàn)觀察的結(jié)果是一致的。說(shuō)明針對(duì)Inconel706合金的成分特點(diǎn)其黑斑區(qū)的析出相特征為大量的Laves相和η，δ相的富集。

為了更進(jìn)一步說(shuō)明Inconel706合金黑斑區(qū)相變特征，利用熱力學(xué)計(jì)算手段對(duì)合金在凝固過(guò)程中液態(tài)狀態(tài)元素?zé)崃W(xué)平衡分配行為進(jìn)行計(jì)算分析。采用表1中的合金成分對(duì)Inconel706合金進(jìn)行熱力學(xué)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果給出該合金初熔點(diǎn)和終熔點(diǎn)分別為1220℃和1390℃，其間的溫度差范圍為170℃。在初熔點(diǎn)和終熔點(diǎn)之間對(duì)液相中合金元素的熱力學(xué)平衡分配規(guī)律進(jìn)行計(jì)算（見(jiàn)圖6），從圖6中可以明顯看出，隨著溫度的降低，液相中Nb發(fā)生顯著的偏聚分配，從平均的3%上升到凝固完成時(shí)的12.3%。Ti和Al隨溫度的降低也稍有增加，但偏聚分配程度大大弱于Nb。隨溫度的下降，C先是產(chǎn)生了一定程度的偏聚，在1290℃后又呈下降趨勢(shì)，說(shuō)明在該溫度范圍一次碳化物從液相中直接析出而導(dǎo)致C含量的下降。

從液態(tài)時(shí)元素?zé)崃W(xué)平衡分配的計(jì)算結(jié)果可以看出，Nb在合金的凝固過(guò)程中發(fā)生極為明顯的液態(tài)偏聚分配現(xiàn)象，由于實(shí)際的凝固過(guò)程是一個(gè)非平衡態(tài)的過(guò)程，冷卻速度對(duì)這種液態(tài)中元素的最終分配遺傳到固態(tài)有很大的影響，也就是這種影響可能是導(dǎo)致在實(shí)際的凝固過(guò)程中偏聚區(qū)Laves相大量富集析出的主要原因，而Ti和Al的枝晶間液態(tài)偏聚，尤其是Ti的偏聚將導(dǎo)致偏聚區(qū)η和δ相的增加。實(shí)際上，黑斑是一種宏觀通道偏析，凝固過(guò)程中兩相區(qū)枝晶生長(zhǎng)時(shí)部分溶質(zhì)元素(如Nb，Ti，Al等)排入枝晶間殘余熔體，溶質(zhì)元素富集的熔體與正常熔體之間由于密度的差異，產(chǎn)生流動(dòng)。當(dāng)熔化速度快、熔池較深、凝固速度相對(duì)較低時(shí)，富集溶質(zhì)元素的熔體流動(dòng)呈一通道，在凝固往前推進(jìn)時(shí)，富溶質(zhì)元素的熔體在凝固后形成黑斑。因此，對(duì)于Inconel706合金當(dāng)Nb和Ti的偏聚富集到一定程度將導(dǎo)致合金黑斑的出現(xiàn)，同時(shí)也造成了Inconel706合金中黑斑區(qū)復(fù)雜的相變析出特征。

3結(jié)論

1)合金正常區(qū)經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)熱處理后組織為分離析出彌散細(xì)小的γ′′和γ′相，并有少量的晶界碳化物和η相存在。

2)合金宏觀偏析黑斑區(qū)的組織特征主要是由富Nb的Laves相和富Ti的η，δ相的嚴(yán)重偏聚粗化形成，熱力學(xué)相計(jì)算方法也證實(shí)了黑斑偏聚區(qū)Laves，η和δ相比正常區(qū)有明顯的增加。

3)對(duì)Inconel706合金枝晶間液態(tài)的元素?zé)崃W(xué)平衡分配進(jìn)行熱力學(xué)計(jì)算表明，Nb發(fā)生了極為明顯的偏聚分配，Ti也有一定程度的偏聚，Al次之，這些元素不同程度的液態(tài)偏聚行為是造成合金黑斑區(qū)相富集的主要原因。