熱等靜壓工藝對K4125鎳基高溫合金顯微組織的影響

張明軍， 李 遠， 李相輝

(中國航發北京航空材料研究院 先進高溫結構材料重點實驗室， 北京 100095)

鎳基高溫合金因其優異的高溫強度和塑性、良好的抗氧化和抗熱腐蝕性能及良好的組織穩定性與使用可靠性等綜合性能廣泛應用于航空發動機及燃氣輪機熱端鑄件制造[1-2]。K4125高溫合金具有較高的強度、優異的耐熱腐蝕性能以及抗氧化性能。熱等靜壓(Hot isostatic pressing，HIP)作為常用的熱加工工藝之一，在鎳基鑄造高溫合金領域具有舉足輕重的作用，該工藝是在封閉的容器中施加一定的溫度及壓力，使金屬或陶瓷制品經受各向同等壓力從而使制件得以致密化，從而修復顯微組織的孔洞、退化與損傷的微觀組織，消除合金內部顯微疏松、縮孔和偏析等缺陷[3-8]。同時高溫高壓環境使得合金的組織形貌產生一系列的變化，如共晶的固溶，γ′相的溶解、聚集、長大，碳化物的分解與轉變等，進而改變合金的力學性能[9-11]。由于熱等靜壓工藝對不同合金的作用規律有所差別，關于K4125鎳基高溫合金熱等靜壓技術的相關研究未有報道，故本文針對K4125合金開展不同溫度及壓力的熱等靜壓工藝研究，探索了不同熱等靜壓條件對K4125合金組織形貌的影響規律，為合金的工程化應用提供理論依據。

1 試驗材料及方法

采用真空感應熔煉爐制備K4125合金試棒，化學成分見表1，按照表2所示參數對鑄態試棒進行熱等靜壓處理。采用HNO3∶HF∶甘油=1∶2∶1(體積比)的腐蝕劑腐蝕5～10 s制備出金相試樣。采用DM4000M型光學顯微鏡采集枝晶組織，采用ZEISS SUPRA 55型和FEI NovaNano450型場發射掃描電鏡對γ/γ′共晶、γ′相及碳化物等顯微組織進行表征，采用EDS對枝晶元素含量進行分析。采用Image-Pro Plus軟件統計合金的γ/γ′共晶組織含量、γ′相尺寸及面積分數。

表1 K4125合金的化學成分(質量分數，%)Table 1 Chemical composition of the K4125 alloy (mass fraction, %)

表2 熱等靜壓工藝參數Table 2 Parameters of hot isostatic pressing(HIP)

2 試驗結果及討論

2.1 顯微組織形貌

圖1為不同熱等靜壓制度下K4125合金的組織形貌，具有典型的枝晶特征，枝晶間與枝晶干存在顯著差異。合金中存在γ′強化相、γ/γ′共晶、MC碳化物等合金相，γ/γ′共晶組織多為典型菊花狀，碳化物為塊狀分布于晶界及枝晶間區域。背散射模式顯示碳化物具有不同襯度，見圖2中標注的1、2、3位置。EDS分析表明碳化物中均富集Ta、Hf、W及Ti，此外位置1處含有較高的Hf，而位置3則出現少量Mo，不同位置的碳化物均為MC型碳化物。

圖1 不同熱等靜壓態K4125合金的組織形貌Fig.1 Microstructure of the K4125 alloy with different HIP states(a) HIP1; (b) HIP2; (c) HIP3

圖2 K4125合金中MC碳化物的成分及元素分布(HIP1)Fig.2 Chemical composition and element distributions of MC carbides in the K4125 alloy (HIP1)

2.2 元素偏析

高溫合金的元素由于熔點不同在凝固時按一定順序進行，形成不同的合金相，使得各元素在基體的分布存在一定偏析，采用式(1)計算各元素的凝固偏析系數k[12]，結果見圖3。

k=cdc/cid

(1)

式中：cdc和cid分別為元素在枝晶干與枝晶間的含量，當k>1時，表示該元素在枝晶干區域富集，為負偏析元素；當k<1時，則表示枝晶間區域存在較多的該類元素，為正偏析元素；當k=1時，元素分布不存在偏析現象。故k值越趨近于1，元素的分布越均勻。

采用EDS分析K4125合金的Al、Ti、Cr、Co、Mo、Ta、W及余量Ni等元素的分布情況，結果如圖3所示，表明不同熱等靜壓合金的同一元素偏析區域一致，經HIP1處理后，W、Ni的k值分別為1.16和1.07，枝晶干含量多于枝晶間，為負偏析元素；Ta、Mo、Ti及Al等元素的k值分別為0.79、0.75、0.89和0.81，偏析于枝晶間，為正偏析元素，W、Ta、Mo及Al的k值略大于其他元素，偏析較大，且與其他元素相比較，Ni、Co、Cr偏析程度較小。隨著熱等靜壓溫度及壓力的提高，各元素的k值更趨于1，偏析程度減弱，元素分布更加均勻，W、Ta、Mo偏析程度改善較大，經HIP3熱等靜壓工藝處理后Ta的k值趨于1，可見提高熱等靜壓溫度及壓力有助于促進難熔元素的擴散及均勻分布。

圖3 熱等靜壓態K4125合金的偏析系數Fig.3 Segregation coefficients of the K4125 alloy after different HIP processes

2.3 γ/γ′共晶組織形貌

圖1表明，隨著熱等靜壓溫度及壓力的增加，γ/γ′共晶組織的含量逐漸降低，采用光鏡組織(圖4)進行含量的精確統計。與HIP1熱等靜壓合金相比較，經HIP2熱等靜壓后合金的γ/γ′共晶組織含量由23.4%降低至21.4%，進一步提高熱等靜壓溫度至1195 ℃(HIP3)，γ/γ′共晶含量為18.4%。提高熱等靜壓溫度及壓力后合金的γ/γ′共晶組織含量略有降低，這是由于γ/γ′共晶組織的形成與元素偏析有關，提高溫度及壓力有助于加快元素的擴散速率，減小各元素偏析系數，使元素分布更加均勻，進而降低γ/γ′共晶組織的含量。

圖4 不同熱等靜壓態K4125合金的γ/γ′共晶組織形貌Fig.4 Morphologies of γ/γ′ eutectic in the K4125 alloy with different HIP states (a) HIP1; (b) HIP2; (c) HIP3

2.4 γ′相形貌

圖5為不同熱等靜壓后合金的枝晶干γ′相形貌。對其尺寸及面積分數進行測量，結果表明，采用HIP1熱等靜壓后，合金中γ′相的面積分數為40%，尺寸為513.8 nm。提高熱等靜壓溫度及壓力至1170 ℃/175 MPa，γ′相的面積分數及尺寸分別為38.8%和453.6 nm，進一步將溫度提高至1195 ℃，γ′相的面積分數為45%，尺寸降低至309.3 nm，與HIP1合金相比較，不同熱等靜壓工藝處理后γ′相面積分數無明顯變化，但γ′相的尺寸減小了66%。這是因為熱等靜壓的高溫高壓環境促使合金元素從高濃度區域向低濃度區域擴散，起到高溫均勻化作用，提高溫度及壓力后，各元素的k值越趨向1(見圖3)，元素的分布越均勻，合金的均勻化程度越高，γ基體中溶解的γ′相形成元素越多，隨后的冷卻過程中基體析出γ′相的形核驅動力越大，使得γ′相的形核數量增加，γ′相尺寸降低[13]。因此提高熱等靜壓溫度及壓力后，K4125合金的γ′相尺寸顯著降低。

圖5 不同熱等靜壓態K4125合金的枝晶干γ′相形貌Fig.5 Morphologies of dendrite core γ′ phase in the K4125 alloy with different HIP states (a) HIP1; (b) HIP2; (c) HIP3

2.5 碳化物形貌

圖6為熱等靜壓后合金的碳化物形貌，發現不同熱等靜壓處理后，合金中出現大塊狀MC碳化物碎化及二次MC碳化物析出的現象，且晶界處析出細小的碳化物，分別對應于圖6(a，d)中的1、2、3位置。提高熱等靜壓溫度及壓力后，上述現象加劇，這與較高的壓力及溫度促進元素擴散有關。鄭運榮等[14]報道稱，含有Hf、Zr、Nb的鎳基高溫合金在使用及熱暴露環境中均可能發生式(2)所示的轉化，通過基體及沉淀相之間的反應生成二次MC碳化物，這與本研究現象一致。在熱等靜壓合金中，γ/γ′共晶組織中析出二次MC碳化物，尺寸細小且彌散分布，見圖6(a)中位置2。同時由于晶界排列不規則，存在較多空位及晶格缺陷，有利于元素擴散，不同條件的熱等靜壓合金晶界處均析出了較多的細小顆粒狀碳化物。提高熱等靜壓溫度及壓力后，背散射模式下MC碳化物的灰色襯度形貌比例增加，采用EDS分析HIP2合金的碳化物發現，灰色襯度區域的Hf含量增加，而Ta含量則降低。此外，對大塊MC碳化物成分進行分析，結果見表3，同樣發現HIP3合金的Hf含量增加，Ti元素含量降低，由碳化物的穩定性規律(HfC>TaC>TiC)可知，TaC、TiC穩定性較低，高溫環境下更易分解[15-16]，當熱等靜壓溫度及壓力提高后，TaC、TiC的分解傾向增加，導致碳化物中Ta、Ti含量降低。不同熱等靜壓合金中均未發現M6C、M23C6等次生碳化物存在。

圖6 不同熱等靜壓態K4125合金的碳化物形貌Fig.6 Morphologies of carbide in the K4125 alloy with different HIP states(a,d) HIP1; (b,e) HIP2; (c,f) HIP3

γ′(Hf, Zr, Nb) +γ(C) →MC +γ

(2)

表3 不同熱等靜壓態K4125合金的碳化物成分(質量分數，%)Table 3 Chemical composition of carbides in the K4125 alloy with different HIP processes (mass fraction,%)

3 結論

1) 經熱等靜壓工藝處理后K4125合金的Ta、Mo、Co、Cr、Ti及Al等為正偏析元素，W、Ni為負偏析元素，提高熱等靜壓溫度及壓力，各元素的偏析程度均有所降低，γ/γ′共晶組織含量逐漸減少。

2) 提高熱等靜壓溫度及壓力后，K4125合金枝晶干γ′相尺寸變小，與1150 ℃/140 MPa處理合金相比較，1195 ℃/175 MPa處理合金的γ′相尺寸由513.8 nm減小至309.3 nm。

3) K4125合金經3種熱等靜壓后均出現了大塊狀MC碳化物碎化、二次MC碳化物析出及晶界細小碳化物形成等現象，且隨著熱等靜壓溫度及壓力的增加而加劇。提高熱等靜壓溫度及壓力，碳化物中Ta、Ti含量降低，TaC、TiC的分解傾向增加。