Sr 和Ce 對鎳基高溫合金高溫力學及熱疲勞性能的影響

徐海峰,孔 建

煙臺工程職業技術學院,山東 煙臺 264006

鎳基高溫合金是以鎳為基體并添加其它合金元素的一種高溫合金，具有較高的強度、較好的抗氧化性能和耐腐蝕性能，在農業動力領域得到廣泛的應用。吳凱等[1]研究了固溶熱處理對新型鎳基粉末FGH981 高溫合金組織與性能的影響。何國愛等[2]探討了粉特性對鎳基粉末冶金高溫合金的顯微組織及熱變形行為影響規律。潘暉和趙海生[3]研究了鎳基釬料釬焊K465 高溫合金的大間隙接頭顯微組織以及性能。謝君等[4]分析和探討了含鉿高鎢K416B 鎳基鑄造高溫合金顯微組織及其蠕變行為。劉程鵬等[5]分析了Ni-Al 二元鎳基模型高溫合金在熱暴露實驗時γ′相的尺寸與體積分數變化規律。馬亞鑫等[6]分析了鎳基定向凝固高溫合金在高溫時效處理以后的顯微組織和力學性能。楊長勇等[7]研究和分析了陶瓷CBN 砂輪磨削鎳基鑄造高溫合金K418 的磨削加工性能。然而，隨著各行業技術的發展，人們對高溫合金材料的性能提出了更好要求，K418 鎳基高溫合金在高溫力學性能和熱疲勞性能方面還存在不足，難以滿足高端市場的需要。研究發現添加適量的合金元素可以改善合金的熱疲勞性能，合金元素Sr 是一種抗高溫性能較佳的合金元素，添加Sr 有利于提高合金的熱疲勞性能；此外，稀土元素Ce 可以有效提高合金的綜合性能。為此，本文在K418 鎳基高溫合金中添加Sr 和Ce，制備了新型鎳基高溫合金K418-Sr-Ce，并對比分析了合金的鑄態高溫力學性能和熱疲勞性能。

1 材料及方法

1.1 試驗材料

本文試驗材料為K418-Sr-Ce 新型鎳基高溫鑄態合金，合金的化學成分如表1 所示。合金的制備采用真空感應熔煉+電渣重熔方法。真空感應熔煉采用ZG500 型真空感應熔煉爐。合金鑄錠為棒狀，尺寸為φ80 mm×300 mm。合金試樣未進行熱處理。

表1 合金化學成分(wt.%)Table 1 Chemical composition of the alloy

1.2 試驗方法

高溫力學性能：用線切割方法切取棒狀拉伸試件，試件平行段尺寸為φ5 mm×35 mm、夾持段尺寸為φ20 mm×30 mm。在BZ-GD-30 型微機控制高溫拉伸試驗機上試驗，試驗溫度為800 ℃，拉伸速度為1 mm/min，記錄試件的抗拉強度和收縮率，并用EVO18 型掃描電子顯微鏡記錄拉伸斷口形貌。

熱疲勞性能：先用線切割方法切取圓片狀熱疲勞試件，并在試件上切取V 型缺口以促使裂紋萌生，缺口深度2 mm、夾角60°，尺寸為φ30 mm×10 mm；接著用600#～1200#砂紙依次磨制試片；然后將試件置于箱式電阻爐中加熱至800 ℃并保溫5 min；隨后用流動自來水冷卻至20 ℃，如此冷熱循環1000 次；最后取出試樣，經研磨拋光后在金相顯微鏡下測量主裂紋長度和寬度。

為了盡可能減少試驗誤差，所有的測試都進行了三次平行試驗，以平行試件三次測試值的算術平均值作為試樣的測試值。

2 試驗結果

2.1 高溫力學性能

K418-Sr-Ce 新型鎳基高溫鑄態合金與K418 鑄態合金的高溫力學性能試驗結果，如圖1 所示。從圖1 可以看出，與K418 鑄態合金相比，K418-Sr-Ce 新型鎳基高溫鑄態合金的高溫抗拉強度從78 MPa 提高到112 MPa；收縮率從6.2%提高到8.1%。由此可以看出，添加合金元素Sr 和Ce 后，新型鎳基高溫鑄態合金具有更好的高溫力學性能。

圖1 試樣高溫力學性能Fig.1 Mechanical properties of the alloy at high temperature

圖2 是鑄態K418-Sr-Ce 新型鎳基高溫合金與鑄態K418 合金的拉伸斷口形貌。從圖2（a）可以看出，鑄態K418 合金在800℃高溫拉伸時斷口中存在較多的解理臺階、河流花樣和撕裂棱，表現出較為明顯的解理斷裂。從圖2（a）可以看出，與鑄態K418 合金相比，K418-Sr-Ce 新型鎳基高溫合金在800 ℃高溫拉伸時斷口中僅有少量的解理臺階，有較多的韌窩和撕裂棱，表現出較為明顯的韌脆混合斷裂特征。通過添加Sr 和Ce，改善了材料顯微組織，阻礙了裂紋的擴展。顯著提高了材料的韌性，使得材料的耐疲勞破壞能力顯著提高。

圖2 合金拉伸斷口形貌Fig.2 Tensile fracture photos on the alloys

2.2 熱疲勞性能

鑄態K418-Sr-Ce 新型鎳基高溫合金與鑄態K418 合金的熱疲勞性能測試結果，如圖3 所示。從圖3 可以看出，與K418 鑄態合金相比，K418-Sr-Ce 新型鎳基高溫鑄態合金的主裂紋長度從26 μm減小到17 μm，減小了35%；主裂紋寬度從14 μm 減小到9 μm，減小了36%。由此可以看出，添加合金元素Sr 和Ce 后，新型鎳基高溫鑄態合金具有更好的熱疲勞性能。

圖3 合金熱疲勞性能Fig.3 Thermal fatigue property of the alloys

合金元素Sr 是堿土元素，性能活潑。在合金中添加元素Sr，在冶煉時形成彌散分布的小顆粒金屬間化合物相，這類化合物容易在合金晶界偏聚，提高合金的晶界強度；阻礙位錯的滑移和攀移運動，從而提高合金的高溫強度，改善合金在高溫環境下的綜合性能。當鎳基高溫合金中添加了稀土元素Ce 后，可以有效地促進合金在熔煉過程中具有更好的除氣、除雜作用，并能提高合金的流動性和晶粒細化作用，從而有效改善鎳基高溫合金的高溫力學性能和熱疲勞性能。因此，在鑄態K418鎳基高溫合金中復合添加合金元素Sr 和Ce 后，得到的鑄態K418-Sr-Ce 新型鎳基汽車高溫合金具有更好的高溫力學性能和熱疲勞性能。

3 結論

合金元素Sr 和Ce 的復合添加，改善了材料的內部組織，提高鑄態K418 鎳基高溫合金的高溫力學性能和熱疲勞性能；

1）與鑄態K418 合金相比，鑄態K418-Sr-Ce 新型鎳基高溫合金在800 ℃測試環境下的高溫抗拉強度增大44%、收縮率增大31%，具有更好的高溫力學性能；

2）與鑄態K418 合金相比，鑄態K418-Sr-Ce 新型鎳基汽車高溫合金經過1000 次800 ℃～20 ℃冷熱循環后的主裂紋長度減小35%、主裂紋寬度減小36%，具有更好的熱疲勞性能。