K4169合金涡轮轴承座铸件的持久性能研究.pdf
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1、122023 年第 S2 期材料研究与应用K4169 合金涡轮轴承座铸件的持久性能研究K4169 合金主要用于航空发动机的关键部件,如低压涡轮叶片、起动机整体叶盘、涡轮轴承座等,为了改善合金低周疲劳性能及提高高温持久寿命,一般要求使用均匀的等轴晶铸件。通常情况下,常规方法铸造所获得的铸件存在较多的显微疏松且晶粒尺寸较大,二次枝晶臂较大,导致材料高温持久试验早期断裂。采用热等静压可以闭合合金内部显微疏松缺陷,但热等静压会大大增加人工成本和材料成本,且热等静压本身温度过高、时间过长,会改变合金组织结构,使合金容易发生重结晶和晶粒长大的现象,影响合金性能。因此部分客户规定,铸件不允许进行热等静压处理
2、。本课题通过研究原有工艺方案下浇注的合金铸件的化学成分、晶粒尺寸、二次枝晶臂、微观组织形貌,改变模组工艺方案、浇注工艺参数,提高凝固过冷度,从而改善合金组织、改善材料高温持久性能。1试验材料及方法1.1试验材料试验材料采用的合金为镍基高温合金 K4169,试样状态为标准热处理状态,即均匀化+固溶+时效,其化学成分见表 1。表 1 K4169 合金的化学成分(质量分数,%)Tab.1 Chemical composition of K4169 alloy(mass fraction,%)CCrNiMoTiNbAl0.07218.8452.823.021.015.240.541.2试验方法按表 1
3、 的成分浇注单铸试棒和铸件,取单铸试样 4根,试样编号记为 1#、2#、3#、4#。铸件本体不同位置取样 4 根,编号为 5#、6#、7#、8#,按 ASTM E139-11金属材料蠕变、蠕变断裂和应力破裂测试的标准试验方法分别加工成 6 mm 及 4 mm 的试样,然后按该标准进行高温持久试验,试验机编号为 NCSSHLABLX100,NCSSHLABLX104-106,试验温度为 650,试验应力为 620 MPa,试验数据见表 2。表 2 K4169 高温持久力学性能试验数据Tab.2 Test data of K4169 high temperature endurance mecha
4、nical properties试样编号应力/MPa试验时间/h伸长率(%)备注1#6201767.5单铸试样2#6201313单铸试样3#6201490.5单铸试样4#62076.32.5单铸试样5#62028.64本体取样6#62018.311.5本体取样7#620010本体取样(加力即断)8#62025.78.5本体取样标准要求620 23 3.0杨朝荣,陈垚(贵州安吉航空精密铸造有限责任公司,贵州 安顺 551600)摘要:研究 K4169 高温合金单铸试样及铸件本体切取样的高温持久性能,对 K4169 高温持久性能合格与不合格的试样进行纵向剖切,取整个试样剖切面进行成分分析、宏观晶粒
5、尺寸分析、二次枝晶臂测量分析、光学显微分析及电子显微分析。结果表明,早期断裂试样碳含量略高,断口处存在明显的显微疏松,析出相分布不均匀,主要偏析于晶界和枝晶间。通过改变模组工艺方案,调整浇注工艺参数,合金组织得到明显改善,持久性能得到提升。关键词:K4169 合金;高温持久性能;组织结构;二次枝晶臂;铸造工艺;显微分析中图分类号:TG 27文献标识码:B文章编号:1673 3320(2023)S2 0012 08收稿日期:2023-05-30修定日期:2023-09-12作者简介:杨朝荣(1979-),男,苗族,贵州省安顺市人,毕业于贵州大学材料科学与工程专业,高级工程师,主要从事金属材料组织
6、分析、材料失效分析,铸造工艺、热处理工艺对材料组织及性能的影响研究等工作,E-mail:。2023 年第 S2 期材料研究与应用13将断后的试样,一半用来做成分分析,另一半纵向剖开,按标准 ASTM E3-11金相试样制备标准指南制样。采用金相检验方法对晶粒尺寸、冶金缺陷进行评定,并对二次枝晶臂进行测量,利用扫描电子显微镜和能谱仪观察并分析合金微观组织及析出相,确定影响合金持久寿命的主要因素。通过分析拉伸数据及金相组织,对铸造工艺方案、铸造参数进行调节,重新浇注试棒再进行一系列分析,找出最优的工艺方案,改善合金持久寿命及断后生长率。2试验结果2.1化学成分分析为了进一步明确各个试样的成分变化情
7、况,研究铸造过程该合金是否存在明显的成分偏析现象,在力学性能试验后的试样上取样进行化学成分分析,分析结果见表 3。从表3可以看出,单铸试棒力学性能符合标准要求,碳含量在标准高线上,本体取样的试样 7#碳含量略超出标准范围。8 根试样中,除 Cr 以外,所有合金元素均靠标准上线,而 8 根试样均为同炉浇注的单铸试棒及铸件本体取样,说明铸件在凝固过程中出现了成分偏析,因而使铸件整体存在微量的成分差异。高温合金中的碳元素和其他合金主要以碳化物的形式生成强化相,在晶内和晶界上析出,呈较规则的方形、多边形等,硬度较高、塑性较小。当碳化物含量较多时,合金强度、硬度偏高,塑性偏低。表 3 力学性能试验后试样
8、的化学成分(质量分数,%)Tab.3 Chemical composition of specimens after mechanical properties test(mass fraction,%)试样编号CCrNiMoTiNbAl1#0.0718.8452.833.011.035.240.562#0.07318.9452.963.001.025.350.483#0.07518.9652.783.031.065.240.534#0.06818.9852.853.051.015.30.545#0.06918.8452.833.001.015.240.536#0.06818.9552.763
9、.021.055.260.497#0.08318.9852.812.991.015.190.568#0.07818.9752.833.021.045.20.57标准0.020.0817.021.050.0055.002.803.300.651.154.405.400.300.702.2晶粒形貌将 8 根试样沿断口纵向剖切开,用浇注镶嵌法镶嵌试样,按 ASTM E3-11金相试样制备标准指南的要求制备试样,腐蚀后置于体式显微镜上观察,主要观察8 根试样的晶粒形貌、晶粒尺寸及二次枝晶臂,其 10倍下的晶粒形貌如图 1 所示。观察分析得知,图 1(a)1#试样最大晶粒尺寸5 mm;图 1(b)2#试
10、样最大晶粒尺寸 4 mm;图 1(c)3#试样最大晶粒尺寸 4.5 mm,二次枝晶臂 280 m;图 1(d)4#试样最大晶粒尺寸 5.2 mm,二次枝晶臂 140 m;图 1(e)5#试样最大晶粒尺寸 3.2 mm,二次枝晶臂130 m;图 1(f)6#试样最大晶粒尺寸 2.8 mm,二次枝晶臂 90 m;图 1(g)7#试样晶粒较细,平均晶粒尺寸为 1.25 mm,二次枝晶臂不明显;图 1(h)8#试样晶粒较细,平均晶粒尺寸为 1.65 mm,二次枝晶臂不明显。从图 1 的低倍照片可以看出,除 7#、8#试样外,其他试样均可观察到明显的枝晶形貌,单铸试样 1#4#总体晶粒尺寸较大,晶粒不均
11、匀,出现混晶现象;3#6#试样二次枝晶臂较明显,且逐渐增加,其中 3#试样二次枝晶臂为 280 m。对照表 2 数据可知,3#试样断后伸长率最低,6#试样断后伸长率最高。通过分析,可得出:在不考虑外在因素的条件下,随着枝晶臂的增加,合金高温持久断后伸长率降低。142023 年第 S2 期材料研究与应用2.3光学显微分析将试样抛光后置于光学显微镜上放大 100 倍观察,试样断口处或断口附近的疏松形态及分布如图 2 所示。1#、2#试样由于断口处损坏严重且存在蠕变孔洞,显微图片上容易与疏松混在一起,会导致测量的疏松指数偏高,因此取离断口最近的部位来测量疏松,见图 2(a)、(b);3#8#试样测量
12、试样断口处显微疏松,见图 2(c)图 2(h)。(a)1#试样断口处附近 (b)2#试样断口处附近 (c)3#试样断口处 (d)4#试样断口处 (e)5#试样断口处 (f)6#试样断口处 (g)7#试样断口处 (h)8#试样断口处图 2 试样断口处或断口附近的疏松形态及分布Fig.2 Loose morphology and distribution of the specimens at or near the fracture从断口形貌可以看出,试样断口处或断口附近均存在不同程度的疏松,其中 3#和 7#疏松较严重。3#试样的疏松呈细小聚集分布状态,7#试样的疏松尺寸较大并存在疏松孔洞,最
13、大疏松尺寸约为 200 m。根据定量金相法测量 8 根试样的疏松指数,结果见表 4。结合表 2 中的数据可知,当显微疏松呈分散性分布时,材料高温持久断后伸长率随显微疏松指数增加而降低,如 8#、1#、5#、2#试样;当疏松指数超过 1.0%时,(a)1#试样 (b)2#试样 (c)3#试样 (d)4#试样 (e)5#试样 (f)6#试样 (g)7#试样 (h)8#试样图 1 试样的晶粒形貌Fig.1 The grain morphology of the samples2023 年第 S2 期材料研究与应用15断后伸长率无法满足标准要求,如 4#、3#试样;当材料内部疏松指数较大,存在明显的疏
14、松孔洞时,会严重影响合金的持久寿命,如 7#试样。这 8 根试样材料断裂处均存在显微疏松,从断口形貌可知,裂纹主要沿疏松部位扩张。结合晶粒尺寸分析可知,显微疏松对材料持久寿命及断后生长率的影响大于晶粒尺寸的影响。因此,提高材料持久寿命和断后伸长率最有效的方法就是控制显微疏松。将试样用盐酸、酒精、三氯化铁、苦味酸的混合溶液腐蚀后置于光学显微镜下,对其断口处组织放大 100倍观察,主要观察析出相含量、组织结构、相分布情况等,其组织形貌见图 3。(a)1#试样断口处 (b)2#试样断口处 (c)3#试样断口处 (d)4#试样断口处 (e)5#试样断口处 (f)6#试样断口处 (e)7#试样断口处 (
15、f)8#试样断口处图 3 试样断口处微观组织形貌Fig.3 Microstructure of specimens at fracture试验发现,单铸试样 1#4#晶粒尺寸较大,在 1 mm2范围内没观察到完整的晶粒,晶内及晶界上有明显的碳化物析出。在枝晶间及晶界上有 相析出,1#试样 相含量较多,2#、4#次之,3#试样 相数量较少,总体趋势为试样断口处 相含量偏少。个别试样可观察到数量极少的 Laves 相,而 Laves 相是一种富 Nb 拓扑密排脆性相,会造成合金高温强度、塑性下降。从本体取的5#8#试样,晶粒尺寸较小,相的含量和分布也存在差别,5#试样的 相含量相对较多,分布较均匀
16、。6#、7#、8#试样的 相分布不均匀,断口处偏少,晶界处聚集,试样断裂主要为沿晶断裂。2.4电子显微分析为进一步了解析出相对合金性能的影响,对其形貌及尺寸放大更高倍数进行观察和定性分析。抽取两块试样1#、5#,在扫描电子显微镜放大 2 000 倍下观察其结构特征及尺寸大小,用牛津能谱仪对析出相的成分进行分析,确定其元素含量,电子显微照片及能谱分析结果见图 4。通过对部分试样的电子显微分析及析出相的微区成分分析,得知合金析出的块状、孤立的条状相为碳化物,晶界及晶内析出的聚集的针状相为 相,其内部存在少量的 Laves 相,相的析出在一定程度上削弱了合金性能。K4169 合金以面心立方奥氏体为基
17、体,主要析出相表 4 8 根试样疏松指数(%)Tab.4 Porosity index of the 8 samples(%)试样编号1#2#3#4#5#6#7#8#疏松指数0.30.52.01.20.40.32.50.2备注-部分为蠕变孔洞疏松孔洞-162023 年第 S2 期材料研究与应用为 Ni3(Nb、AL、Ti)和 Ni3(AL、Ti),相(Ni3Nb)为正交晶系的稳定相,对基体无直接强化作用,但析出过程中会消耗部分 形成元素 Nb,导致材料基体强度降低,材料塑性提高。相虽然对基体无强化作用,但可以强化晶界并阻碍变形过程中裂纹的扩展,释放裂纹尖端的应力集中,提高材料的整体变形能力。因
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