真空鑄造下鎳基高溫合金鑄件氧化膜缺陷分析

呂 明，陳文琳，甘瑞霞

（1.蚌埠學院機械與電子工程系，安徽蚌埠233030；2.合肥工業大學 材料科學與工程學院，安徽合肥230009）

真空鑄造下鎳基高溫合金鑄件氧化膜缺陷分析

呂 明1，陳文琳2，甘瑞霞1

（1.蚌埠學院機械與電子工程系，安徽蚌埠233030；2.合肥工業大學 材料科學與工程學院，安徽合肥230009）

通過掃描電鏡觀察鎳基高溫合金試棒斷口是否存在膜狀氧化物，對斷口區域是否為氧化物的判斷采用能譜儀和波譜儀，研究表明，氧化膜夾雜缺陷引起合金內部氧化膜周圍的含碳量增加，產生微觀裂紋，嚴重影響鑄件的整體性能及使用壽命.平穩澆注情況下，采用過濾網對爐內的氧含量、惰性氣體及真空度加以嚴格控制可有效避免鎳基高溫合金鑄件的雙氧化膜缺陷產生.

真空鑄造；鎳基高溫合金鑄件；氧化膜缺陷

通常情況下，鑄件中存在的典型缺陷主要包括夾雜、裂紋、冷隔以及疏松等.最新研究顯示，在合金液表面形成的一種連續的薄膜是一種夾雜的雙氧化缺陷.筆者利用電鏡對鎳基高溫合金真空鑄造試棒的斷口掃描研究，對斷口進行氧化膜的化學組成應用能譜儀和多普儀進行觀察，證實鑄件存在的氧化膜缺陷是一種厚度超薄、面積很大的缺陷，主要作用形式是導致鑄件產生裂紋.

1 鎳基高溫合金鑄件

作為航空發動機的關鍵材料，鎳基及鎳鐵基高溫合金的耐熱性和耐腐蝕性十分優異，且具有較高的工作溫度及較強的合金化能力等，乃是當前軍事及航天領域中應用非常廣泛的金屬材料，該合金材料中包括固溶強化元素鎢、鉻、鋁、鎂、鋯、鈮、鉭等，同時還含有微量的硫、磷、碳、硼元素以及稀土等［1］.

含有較高Al、Tl等合金元素的沉淀強化型鎳基合金制造的過程為：首先經過真空感應爐進行熔煉，然后再由電渣爐或真空感應爐進行重熔操作.其熱加工所采取的的工藝通常為軋制或鍛造.變形合金及部分鑄造合金需要通過1 175℃下連續2 h的固溶處理、1 080℃下連續4 h的中間處理及分別在843℃和760℃下的兩次時效處理等熱處理過程，從而使鎳基合金達到標準要求的綜合性能及組織狀態［2］.

2 鎳基高溫合金鑄件氧化膜缺陷

根據當前相關研究人員對低熔點合金鑄造中雙氧化膜缺陷的研究，分析鎳基合金中的雙氧化膜對合金鑄件的物理化學性能及使用壽命的影響得出，在合金液表面發生翻動時，附著在其表面的氧化膜將會隨之被卷入合金液中，于是會在合金液無法結合的面上形成一種雙氧化膜，同時，在雙氧化膜內夾雜著一層空氣，進而造成鑄件凝固后會出現微觀裂紋.鎳基高溫合金鑄件形成的氧化膜如圖1所示.

圖1 鎳基高溫合金鑄件形成的氧化膜

因為表面翻動，Al、Mg等不少反應較為活潑的金屬在液態熔煉澆鑄時會出現雙氧化膜夾雜缺陷，這種缺陷還會伴隨金屬液內部流動的紊亂而愈發嚴重.部分研究人員的假設認為這種雙氧化膜缺陷是因為內氫和液體金屬等沉積在氧化膜之間出現收縮，因而對膜的作用力減小，而尺寸較大的晶粒對枝晶筏排起著很大的促進作用，從而使氧化膜伴隨伸展的枝晶而變直.然而在純凈合金平穩澆注的鑄件中要找到氧化膜缺陷并不易，并且在澆注時只需對爐內氧含量加以嚴格控制并放置過濾網便可達到消除這種氧化膜缺陷的目的.利用電鏡對鎳基高溫合金真空鑄造試棒的斷口進行掃描研究，應用能譜儀和多普儀對斷口氧化膜的化學組成進行觀察，證實鑄件內存在的氧化膜是一種厚度超薄、面積很大的缺陷，將導致鑄件產生裂紋［3］.

3 實驗材料、方法及結果

3.1 實驗材料

本實驗試件為熔模精密鑄造頂注式澆注試棒，屬鎳基高溫合金鑄件，其測試直徑為7 mm，試樣主要包含的化學成分見表1.

表1 試棒中所包含的主要化學成分 /%

該試棒形狀尺寸如圖2所示.其澆注過程采用真空鑄造條件下無過濾網的澆注，選擇在980℃溫度下對型殼進行預熱，在1 420℃的溫度下對液態金屬進行澆注.

圖2 試棒的具體形狀及尺寸/mm

3.2 實驗方法

為方便在掃描電鏡上觀察試樣，需要在被拉斷的試棒斷口上切去一部分，并將其粘貼在標準圓形托架上，然后選取僅安裝EDS的JEOL6060及安裝WDS/EDS的JEOL7000兩種儀器進行觀察.利用電鏡對端口掃描將觀察到的氧化膜取點，利用能譜儀和波譜儀測量其化學組成或者相對氧含量.最后選擇一組基體中無氧含量的化學組，將測量所得的具有氧含量的實驗結果與之比較.

3.3 實驗結果

圖3 試棒斷口的網狀裂紋

圖4 斷面上5點的能譜圖

通過JEOL6060實驗儀的觀察，在試棒斷口處發現一些具有網狀的裂紋現象（如圖3所示），其中斑狀區域沿著裂紋斷開的端口形狀看上去仿佛是將一層薄膜覆蓋在脆性相之上［4］.而幾個觀察點O、Al、Cr等元素含量的峰值則如圖4所示，由此可證明這種膜為鉻、鋁等金屬氧化物的可能性很大.其中對斷面上不同點能譜的分析結果見表2.

表2 斷面上不同點能譜分析結果 /%

利用JEOL7000儀對遠離裂紋的區域進行觀察得到斷面a、b的能譜圖如圖5(a)、(b)所示，與之對應的各元素含量見表3和表4.

圖5 遠離裂紋區域a、b斷面的能譜分析圖

表3 a斷面上不同點能譜分析結果 /%

表4 b斷面上不同點能譜分析結果 /%

利用JEOL7000儀器觀察到的無氧含量的區域能譜圖如圖6所示，通過波譜儀分析得知，該區域的氧含量相對點數為零.

圖6 無氧含量的區域斷面能譜分析圖

4 鎳基高溫合金鑄件氧化膜缺陷分析

通過對圖3中斷面出現網狀裂紋的原因分析可知，由于逐漸減小的壓力導致存在于雀斑區域的氧化膜破裂，從而出現內部產生裂紋的現象［5］.而伴隨鎳基合金中生長枝晶的推進，使合金中的氧化膜被逐漸拉伸.縱使氧化膜最終有可能被合金液納入機體組織當中，然而枝晶卻無法從夾雜在雙氧化膜之間大量殘留的氣體中穿過，因此，被推進的氧化膜使斷面產生裂紋.部分延伸到基體之中的氧化膜，由于被夾在枝晶當中，導致產生少量裂紋.

在開始澆注的過程中，被卷入熔體中的氧化膜可以非晶體的形式存在，其在鋁合金等低熔點合金之中則表現為表面光滑、形狀緊致的形式.但是，經由高溫條件下熔鑄的鎳基合金，很快會讓低熔點下光滑緊致的非晶形氧化物結晶，甚至還會出現二次結晶的情況，該形狀特征與高倍電鏡下觀察到的組織形狀（圖5a）較為相似.

在遠離裂紋區域同樣觀察到氧化膜缺陷的存在，如圖5所示，可見，在真空鑄造的鎳基合金中普遍存在氧化膜.而這些區域的氧化膜中所包含的氧元素在能譜儀測量下顯示較低，這是因為檢測時膜體所含的碳及基體信號阻擋了氧元素信號.這時鎳基合金鑄件的缺陷表明其氧化膜形成的時間較長，可追溯到合金準備制造之時.而裂紋斷面對應的氧化膜形成時間較短，基本都是在澆注時迅速形成的膜體.一般情況下，夾雜在形成時間較長的氧化膜中的氣體被氧化膜完全吸收的時間較長，被卷入合金液的殘留氣體被消耗的概率較大，因此能夠與基體更好地結合在一起，且在做拉伸試驗時不會輕易出現裂紋.這些形成時間較長的氧化膜通常不會呈現出膜狀的外形，一般被晶體化或者變得很尖凸［6］.

通過觀察點的譜線分析可知，在這些觀察點中，通常化學成分會顯示出較高的含氧及含碳量.從電鏡觀察圖像來看，通常氧化膜都在碳化物等脆性相上覆蓋，而正是因為出現的氧化膜才引起鎳基合金周圍碳的含量逐漸遞增［7］.若要避免鎳基高溫合金鑄件產生氧化膜缺陷，可以通過高真空下，采用過濾網對爐內的氧含量、惰性氣體及真空度加以嚴格控制之后再進行平穩澆注.

綜合分析鎳基高溫合金鑄件的氧化膜缺陷試驗，可得出以下幾條結論：第一，通過對試棒端口裂紋的掃描電鏡觀察可知，鎳基高溫合金鑄造在一定的真空條件下存在氧化膜夾雜缺陷，這種缺陷會致使合金內部氧化膜周圍的含碳量不斷增加.第二，通過對遠離裂紋的斷口觀察可知，氧化膜在遠離裂紋處樣貌基本不再呈膜狀，反而呈現出一種尖凸或晶體形狀.第三，若表面膜在液態金屬的澆注時被卷入合金之內，會在合金內產生微觀裂紋，從而使得鑄件的整體性能及使用壽命受到嚴重的影響.第四，在對液態合金進行澆注時，若對爐內的氧含量、惰性氣體及真空度加以嚴格控制，并采用過濾網等措施可以有效降低鎳基高溫合金鑄件中的雙氧化膜夾雜缺陷.

5 結語

作為鑄件中典型的二維缺陷，雙氧化膜缺陷的面積級數為平方毫米，但厚度級數卻為微米，其測量檢測范圍處于X射線及超聲波之外，無法用常規方法進行檢測，屬一定的真空條件下存在的氧化膜夾雜缺陷，會致使合金內部氧化膜周圍的含碳量不斷增加，并導致合金內產生微觀裂紋，使鑄件的整體性能及使用壽命受到嚴重的影響.因此，若要避免鎳基高溫合金鑄件產生的這種雙氧化膜缺陷，需要在高真空下，采用過濾網，對爐內的氧含量、惰性氣體及真空度加以嚴格控制之后再對鎳基高溫合金液進行平穩澆注.

［1］陳新建,王立榮,張立紅,等.氧含量對Ni-30Cr-1Cu鎳基合金熱加工性能的影響［J］.寶鋼技術,2005,(5):38-41,46.

［2］時陽,陳智君,張群莉,等.鎳基高溫合金表面激光熔覆Incone l738合金層的開裂行為［J］.金屬熱處理,2011,36(3):72-76.

［3］牛靜,張凡云,史鳳嶺,等.K4104鎳基高溫合金Al-Si滲層組織與抗熱腐蝕性能［J］.金屬熱處理,2009,34(6):53-55.

［4］李維銀,劉紅飛,王婷,等.新型鎳基高溫合金長期時效后的組織穩定性及高溫性能［J］.機械工程材料,2008,32(7):64-67.

［5］黃智斌,周萬城,唐秀鳳,等.磁控濺射Ni/Au/Pt多層膜紅外發射率特征研究［J］.稀有金屬材料與工程,2011,40(3):534-537.

［6］王剛,張秉剛,馮吉才,等.鎳基高溫合金葉片焊接修復技術的研究進展［J］.焊接,2008,(1):20-23.

［7］劉恩澤,鄭志,佟健,等.DZ468合金高周疲勞性能研究［J］.金屬學報,2010,46(6):708-714.

Analysis of oxide film defects with vacuum castings of Ni-based superalloys

LV Ming1,CHEN Wen-ling2,GAN Rui-xia1
（1.The Departments of Mechanical and Electronic Engineering,Bengbu College,Bengbu 233000,Anhui,China; 2.School of Materials Science and Engineering,Hefei University of Technology,Hefei 230009,Anhui,China）

The research through scanning electron microscopy（SEM）observed the test bar nickel-based superalloys fracture,and its judgment on whether fracture zone is the oxide by energy dispersive spectroscopy and wavelength dispersive spectroscopy.The chemical elements of the fractures′surface were observed by SEM revealed to see if there was some membrane oxide.The results showed that the oxide film defects caused the carbon content increase around the oxide film in alloy,made micro-crack,and decreased the overall performance and the service life of casting.Filters were used to control the content of oxide,inert gases and vacuum,which will avoid the oxide film defects of Ni-based superalloys.

vacuum casting;Ni-base superalloys cast;oxide film defects

TG132.3+2

：A

：1007-5348（2014）08-0045-05

（責任編輯：李 婉）

2014-05-06

安徽高等學校自然科學研究項目（KJ2013Z197）；蚌埠學院自然科學項目（2013ZR02zd）.

呂明（1973-），男，山西太原人，蚌埠學院機械與電子工程系講師，碩士，主要從事機械制造工藝與設備、材料成型與控制工程等方面的教學與研究.