Inconel706簡介

Inconel706是一種沉淀硬化型合金，可提供高的機械強度與良好的可加工性結(jié)合。該合金的特征是相似的Inconel718的不同之處在于Inconel706被更容易地制造，特別是通過機械加工。

主要鎳及鉻含量為氧化和良好的耐腐蝕性。該合金的主要沉淀硬化成分為鈮和鈦。鋁含量也有助于硬化反應(yīng)。
Inconel 706合金是在Inconel718合金基礎(chǔ)上發(fā)展而來的Ni-Fe-Cr基沉淀強化型高溫合金，廣泛用于制作渦輪發(fā)動機、燃氣輪機及核工業(yè)中的大型部件[1-3].作為Inconel 706合金鑄態(tài)組織中最主要的第二相，Laves相及η相在其中的析出數(shù)量、形態(tài)對大錠型的冶煉鍛造至關(guān)重要.研究[4-11]表明，P作為高溫合金中常見的微量元素，一方面促進富Nb和Ti合金的凝固偏析、元素偏聚及第二相析出；另一方面卻強烈地提高某些高溫合金的持久和蠕變性能，并且對其它性能未表現(xiàn)出有害影響，但這種有益作用具有合金選擇性，即在IN 718和GH 2761合金中這種有益作用十分顯著，但是在Waspaloy合金和GDT 222中幾乎沒有任何作用.目前P在高溫合金中的這種合金選擇性的作用機理仍不清楚，需要更進一步的研究.Inconel 706合金基體元素Ni,Fe的含量與GH 2761相近，而強化方式與IN 718合金相似，因此，研究P在Inconel706合金中的作用對研究P在高溫合金中的作用機理有十分重要的意義，而目前未見P在Inconel 706合金中作用機理的報道，有必要進行深入的研究.要研究P在Inconnel 706合金中的作用，首先就要研究P對合金凝固過程的影響，以便消除其對凝固過程的有害作用，因此，本文研究了P對Inconel706合金凝固過程中元素偏析及Laves相和η相析出的影響，為合金中P的控制及相關(guān)工藝的制定提供必要的依據(jù).

1實驗方法

采用真空感應(yīng)爐冶煉4個13kg的鑄錠(Nos.1—4),控制各鑄錠主要合金元素配入量相同(質(zhì)量分數(shù)，%):C0.010,Ni41.0, Cr 16.0,Nb 2.9, Ti1.8,Fe余量；冶煉過程中，對應(yīng)Nos.1—4試樣分別加入實際含量為0.004%,0.016%,0.023%和0.032%的P(質(zhì)量分數(shù)).在各鑄錠頭部的中心部位切取10 mm×10 mm×10 mm的試樣，進行鑄態(tài)組織的觀察.將試樣加熱至1420 ℃保溫5 min后，分別隨爐冷卻至1300 ℃保溫10 min后水淬，分析水淬試樣成分分布和組織.將試樣分別加熱至1160,1170和1180 ℃保溫1 h后水淬，采用金相法測定Laves相熔點.

2實驗結(jié)果

2.1 P含量對Laves相及η相析出形貌的影響

圖1示出了Nos.1—4合金鑄態(tài)的枝晶組織.圖1中白色區(qū)域為枝晶干，黑色區(qū)域為枝晶間相，可見，No.1合金的鑄態(tài)枝晶組織較為規(guī)整；P含量的增加使枝晶分布的雜亂程度增加.另外，由圖1還可以看出，P含量的增加使枝晶間相的體積分數(shù)增加.采用圖像分析軟件計算出鑄錠心部枝晶間相的體積分數(shù)，結(jié)果表明，P含量為0.004%的No.1合金枝晶間相的體積最小，大約為20%,P含量提高到0.016%后，枝晶間相的體積分數(shù)增加到27%左右.P含量繼續(xù)提高，枝晶間體積分數(shù)增加幅度明顯變緩，P含量為0.032%時，枝晶間相的體積分數(shù)為30%左右.

圖2示出了Nos.1--4合金鑄態(tài)的枝晶間形貌.可見，枝晶間析出了大量白色的析出相，而析出相周圍被顏色比枝晶干更暗的區(qū)域所包圍，兩者共同構(gòu)成了枝晶間組織.成分分析確定白亮相為富Nb的Laves相，周圍的暗區(qū)也富Nb,此處稱之為偏析區(qū).由圖2可以看到，隨P含量增加，枝晶間析出相數(shù)量顯著增多，枝晶間面積顯著增加，以上結(jié)果與圖1的結(jié)果是一致的.圖3示出了P含量對Inconel 706合金中Laves相形貌的影響.可見，No.1合金枝晶間析出的Laves相多為共晶，其周圍區(qū)域析出少量針狀η相(圖3a);隨著P含量增加，共晶Laves相逐步減少，轉(zhuǎn)而在枝晶間析出塊狀Laves相，并且在Laves周圍析出更多的細針狀η相(圖3b).

2.2 P含量對元素偏析的影響

采用EDS方法分析了枝晶干和枝晶間各區(qū)域的元素

分布，其中枝晶干、Laves相、η相和Laves相周圍的暗色偏析區(qū)(各區(qū)域如圖3所示)的成分如表1所示(No.1合金的η相析出較少且體積很小，成分難以測定，故未在表中列出).從表1可見，Nb和Ti顯著偏聚于枝晶間，為正偏析元素，它們在Laves相中的含量最高，在枝晶干中的含量最低；Fe和Cr偏聚于枝晶干區(qū)域，為負偏析元素；P強烈偏聚于Laves相中，在其它各相中均沒有檢測到P的存在.P雖然不改變各元素的偏析傾向，即各合金中Fe和Cr均為負偏析元素，Ni,Nb和Ti均為正偏析元素.但由于P明顯增加了枝晶間Laves相和η相的析出數(shù)量(圖1和2),所以強烈促進了元素偏析.

為了研究合金在各種第二相析出前的元素偏析情況，并比較P含量對偏析的影響，將No.1合金和No.4合金熔化后降溫至1300 ℃水淬.圖4為No.4合金水淬后的SEM像，No.1合金的水淬組織與此類似.可見，大部分液相在水淬前已完成凝固形成γ基體，枝晶間可見殘留液相組成的通道(圖4a);高倍下觀察發(fā)現(xiàn)，枝晶間析出了大量共晶狀Laves相(圖4b);由于水淬前合金溫度較高，未發(fā)現(xiàn)η相析出.與圖3b比較，圖4b中Laves相較多，幾乎可將枝晶間通道完全填滿，這是由于水淬產(chǎn)生的較大冷速引起偽共晶反應(yīng)，增加了Laves的析出量.

由于枝晶間幾乎完全為Laves相，且枝晶間無其它第二相，因此，水淬組織枝晶間的平均成分可代表1300 ℃時剩余液相的成分.采用EPMA對No.1和No.4合金水淬后的枝晶間成分進行測量，結(jié)果表明，P含量由0.004%升高到0.032%后，Ni,Fe和Cr含量變化不明顯，Ti的偏析程度增大，由5.33%升高至6.31%,Nb的偏析程度也有所升高，由19.9%升高至21.3%.

2.3 P含量對Laves相熔點的影響

圖5為No.1合金分別在1170和1180 ℃保溫1h,No.4合金分別在1160和1170 ℃保溫1h后水淬獲得的組織，由圖5a和5b可見，No.1合金的1170℃水淬組織中，Laves相呈球狀，與鑄態(tài)組織相比，數(shù)量及尺寸都明顯減少，1180 ℃水淬組織中，Laves相呈細碎共晶狀，顯然，1170 ℃下Laves相發(fā)生固溶，1180 ℃下Laves相已熔化，水淬時形成快冷共晶組織，因此No.1合金的Laves相初熔溫度在1170—1180℃之間. No.4合金的1160℃水淬組織中Laves相呈球狀，1170℃水淬組織中，Laves相呈共晶狀，如圖5c和d所示.因此No.4合金的Laves相熔點為1160—1170 ℃之間.同樣方法確定No.2和No.3合金Laves相熔點溫度也在1160—1170 ℃之間.因此，P含量由0.004%升到0.016%時，Laves相熔點1170—1180℃之間下降到1160—1170℃之間.P含量繼續(xù)增加，對Laves相的熔點溫度無明顯變化.在所有合金的1160—1180℃保溫1h的水淬組織中，均未發(fā)現(xiàn)η相，說明η相的溶解速度極快.

3分析討論

研究[12-13]表明，P在高溫合金γ基體中的溶解度極低，幾乎不溶；同時P的化學(xué)活性較低，不能在合金凝固的早期形成化合物.因此，在Inconel706合金凝固過程中，P被大量排入液相之中.隨著凝固的進行，剩余液相中P的濃度不斷升高.EPMA結(jié)果表明，No.4合金在1300 ℃時剩余液相中的P濃度已達到了0.7%.P能促進Nb和Ti的偏析，因此促進Laves相和η相的析出，這與P對Inconel718合金凝固偏析的影響也是相同的。除此之外，P降低Inconel706合金中Laves相的析出溫度.如果僅從Laves相析出的角度考慮，P至少不應(yīng)降低Laves相的析出溫度，因其不僅可以溶于Laves相中，而且還促進Nb等元素的偏析.但是研究[14]表明，Inconel706等高Nb含量合金的凝固結(jié)束反應(yīng)為(Laves+γ)共晶反應(yīng).對于標準Inconel 706成分的合金(No.1),共晶反應(yīng)的特征是十分明顯的(圖4a).然而對于高P含量的合金，由于P幾乎不溶于γ基體之中，而且當合金冷卻至共晶點溫度1170 ℃附近時，剩余熔體中P的濃度很高，所以強烈阻止γ相的凝固，因而降低了共晶反應(yīng)的溫度.然而，溫度越低，剩余液相量越少，P含量越高，因此γ基體凝固的前提條件是剩余液相中P濃度的降低.P可以溶解于Laves相中，因此，當溫度降低至共晶點以下，Laves相析出后γ相得以凝固，合金凝固結(jié)束.因此可知，高P含量Inconel 706合金的凝固結(jié)束反應(yīng)為離異共晶反應(yīng)，即先析出Laves相，既而析出γ相.

在離異共晶反應(yīng)中，Laves相需要單獨析出，其形核所要求的成分波動程度較大，因而形核率較低，Laves相長成大塊狀形態(tài)(圖4b).而對于共晶反應(yīng)，成分的波動既可以觸發(fā)γ相形核，又可以觸發(fā)Laves相形核，兩者的生長相互促進，所以形成細碎的共晶組織(圖4a).

圖4b顯示Laves相顆粒之間析出了較多互相平行的η相板條，這些是典型的固態(tài)析出特征，在合金凝固結(jié)束以后，由于枝晶間γ相中Ti含量較高，在冷卻過程中析出了η-Ni?Ti相.

4結(jié)論

(1)?P促進Inconel706合金Nb和Ti的偏析，從而促進枝晶間Laves相和η相的析出.

(2)P含量為0.004%時，Inconel 706合金的凝固結(jié)束反應(yīng)為(Laves+γ)共晶反應(yīng)，枝晶間形成細碎的共晶組織.P含量升高至0.016%以后，合金的凝固結(jié)束反應(yīng)為Laves/γ離異共晶反應(yīng)，先析出大塊狀Laves相，再析出基體γ相凝固結(jié)束.枝晶間γ基體二次析出大量板條狀η相.