馬晨凱 玄偉東 王 歡 趙登科 袁兆靜 任忠鳴

(省部共建高品質(zhì)特殊鋼冶金與制備國家重點實驗室、上海市鋼鐵冶金新技術開發(fā)應用重點實驗室和上海大學 材料科學與工程學院，上海 200072)

交變磁場對高溫合金DZ483 γ′相形態(tài)和力學性能的影響

馬晨凱 玄偉東 王 歡 趙登科 袁兆靜 任忠鳴

(省部共建高品質(zhì)特殊鋼冶金與制備國家重點實驗室、上海市鋼鐵冶金新技術開發(fā)應用重點實驗室和上海大學 材料科學與工程學院，上海 200072)

在交變磁場下對高溫合金DZ483進行固溶和時效處理，研究了不同交變磁場強度對鎳基高溫合金DZ483強化相γ′相的形貌及其力學性能的影響。結(jié)果表明，交變磁場的施加一方面可以促進γ′相由球形向立方形轉(zhuǎn)變，使其排列更加規(guī)則。另一方面使γ′相中Al和Ta元素的含量增加，Co、Cr和W元素的含量降低。此外，在0.06 T和0.1 T交變磁場下處理的高溫合金DZ483，其950 ℃高溫抗拉強度分別比無磁場時提高了2.3%和4.5%。

交變磁場 DZ483高溫合金 熱處理 γ′相 力學性能

高溫合金是制造先進航空發(fā)動機的關鍵材料[1- 2]，占航空發(fā)動機材料總量的40%～60%[3]，因此高溫合金材料的性能對航空發(fā)動機的整體性能有著重要影響[4- 5]。隨著航空發(fā)動機進口溫度和推重比的不斷提高，對高溫合金承溫能力的要求也隨之提高，這就要求研發(fā)出性能更加優(yōu)異的高溫合金。定向凝固制備的高溫合金鑄件，通常存在晶粒粗大，枝晶間疏松及合金元素偏析嚴重，強化相分布雜亂無序，尺寸分布不均等問題[6- 9]，熱處理可以細化高溫合金晶粒，降低合金元素偏析，改善強化相的尺寸及分布狀態(tài)[10- 12]。但隨著高溫合金中難溶元素的不斷增加，元素在合金中的擴散越緩慢，這就需要提高熱處理的溫度或延長熱處理時間，使得熱處理工藝變得更加復雜[13- 14]。近年來，一些研究表明交變磁場對元素擴散具有促進作用，Liu[15- 16]認為交變磁場可以促進均勻化過程中初生相Al12Mg17的固溶，還可以促進Al- Cu擴散中間相的生成；Shigarev[17]認為交變磁場可以促進鋼的滲氮，消除表面滲氮層的脆性；Zhang[18]認為交變磁場能促使連鑄7075鋁合金中的Zn、Cu、Mg等元素沿鑄錠均勻分布，消除宏觀偏析；霍新周[19]認為交變磁場可以促進低碳鋼晶粒沿磁場方向伸長并促進晶粒長大。因此交變磁場的加入，促進了高溫合金元素的擴散，并為熱處理溫度的降低及時間的縮短提供了可能。本文對定向凝固制備的鎳基高溫合金DZ483在熱處理過程中施加交變磁場，探究交變磁場對DZ483合金中元素擴散及分布的影響，并期望通過施加交變磁場獲得形貌、尺寸及分布狀態(tài)良好的強化相，達到簡化熱處理工藝，提高高溫合金組織及力學性能的目的。

1 試驗材料及方法

采用交變磁場發(fā)生裝置，試驗裝置由銅線圈、循環(huán)水系統(tǒng)、加熱爐、控溫儀和調(diào)壓器組成，如圖1(a)所示。裝置通過銅線圈接入調(diào)壓器接電產(chǎn)生交變磁場，磁場最高可達0.1 T，調(diào)壓器輸入電壓為380 V工業(yè)用電，輸出電壓為0～420 V，最大輸出電流200 A，磁場大小通過調(diào)壓器調(diào)節(jié)，調(diào)壓器頻率為50 Hz，輸出電流與銅線圈中心軸方向交變磁場強度分布關系如圖1(b)所示，試驗時將加熱爐放置在銅線圈中心位置，保證加熱爐恒溫區(qū)域與磁場中心位置重合，采用B型熱電偶監(jiān)控爐體溫度，測量精度為±1 ℃。

圖1 交變磁場裝置圖(a)和交變磁場強度分布圖(b)

試驗所用材料為定向凝固DZ483鎳基高溫合金，化學成分如表1所示。其母合金采用真空感應爐熔煉，澆鑄溫度1 550 ℃，定向凝固抽拉速率為6 mm/min，采用水冷底盤。將試樣線切割成尺寸為φ8 mm×5 mm的圓柱體，封裝在真空石英管中，再將石英管放置在加熱爐的恒溫區(qū)和磁場中心位置。

表1 DZ483合金的化學成分(質(zhì)量分數(shù))

固溶處理前，為使DZ483合金中難溶元素溶入基體，減少枝晶偏析程度并提高初熔溫度，擴大固溶處理窗口，需對試樣進行均勻化處理，處理溫度為1 204 ℃，保溫1 h，然后繼續(xù)加熱到1 265 ℃固溶處理1 h，再爐冷至室溫。高溫時效制度為1 080 ℃保溫4 h空冷[20]，為進一步研究交變磁場對DZ483合金組織變化的影響，分別對合金在1 050 ℃和1 020 ℃各時效處理4 h，具體熱處理制度如表2所示。在整個熱處理過程施加交變磁場，與無磁場熱處理對比。

試樣熱處理后進行打磨拋光，經(jīng)電解腐蝕后采用Apollo 300掃描電子顯微鏡(SEM)觀察強化相γ′相的形貌，腐蝕電壓為10 V，電流密度控制在4～10 A/cm2，腐蝕液為CuSO4(6 g)+H2SO4(10 ml)+H2O(200 ml) 。

表2 DZ483合金的熱處理制度

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 交變磁場強度對DZ483強化相形貌的影響

圖2(a)為鑄態(tài)DZ483合金的枝晶干處強化相γ′相的形貌?？梢钥闯觯谩湎嘤?個較小立方形組成呈蝶形，其尺寸不一且分布不規(guī)則，排列不整齊，體積分數(shù)約為45%。圖2(b)為固溶處理后合金γ′相的形貌，呈不規(guī)則形狀析出，分布雜亂，尺寸較鑄態(tài)略有減小，體積分數(shù)約為52%。

圖3(a)～3(i)為不同交變磁場強度下不同溫度(1 080、1 050、1 020 ℃)時效處理4 h后DZ483合金枝晶干處γ′相的形貌。由圖3(a)～3(c)可知，1 080 ℃時效4 h后，在0 T磁場下γ′相呈立方形，但棱角鈍化，尺寸差異較大且分布不均勻，此時γ′相體積分數(shù)約為57%；施加0.06 T交變磁場后，γ′相棱角較分明，尺寸差異減小，排列較整齊，其體積分數(shù)達到61%；當磁場強度增加到0.1 T后，γ′相棱角清晰，呈現(xiàn)較規(guī)則的立方形且排列整齊，體積分數(shù)達到約76%。對比0 T交變磁場下1 050 ℃時效(圖3(d))與1 080 ℃時效(圖3(a))的結(jié)果，可知降低時效溫度后，γ′相仍呈棱角鈍化的立方形且尺寸略有減小。而在1 050 ℃時效過程中施加交變磁場，相比無磁場時的結(jié)果，γ′相形貌更趨近于立方形，排列相對緊密和整齊，體積分數(shù)也從0 T時的約53%分別增加到0.06 T時的約68%和0.1 T時的約72%(如圖3(d)～3(f)所示)。由圖3(g)～3(i)可知，1 020 ℃無磁場時效后γ′相呈近似球形，尺寸較小，析出量較少且排列不整齊，體積分數(shù)約為46%；施加0.06 T交變磁場后，γ′相多呈現(xiàn)不規(guī)則的方形，析出量較無磁場時增多，體積分數(shù)約為55%；當磁場達到0.1 T后，γ′相更接近立方形，棱角更加分明，個別較大的γ′相有分裂成蝶形的趨勢，此時γ′相的體積分數(shù)約為68%。

Doi M[21- 22]提出，析出相的形態(tài)變化存在一個演變過程。兩相合金中析出相的形態(tài)很大程度上取決于強化相與基體之間的彈性應變能和界面能的總和。Khachaturyan[23]認為彈性應變能較高而界面能較低時γ′相為球形，當彈性應變能降低、界面能增加時γ′相由球形轉(zhuǎn)變?yōu)榱⒎叫?。張義文[24]認為，γ′相析出長大符合LSW(Lifshitz- Slyozov- Wagner)粗化理論。當析出相尺寸較小時(a?r0，r0=σ/E1，a為析出相尺寸，r0為材料的特征長度，σ為γ/γ′界面能，E1為材料的彈性常數(shù))，粗化由界面能主導，析出相呈球形；當析出相尺寸較大時(a?r0)，彈性應變能起主導作用，析出相呈立方形，這一析出相的粗化速率僅通過擴散控制。郭建亭[3]認為，γ′相形貌與晶格錯配有關，當錯配度為0%～0.2%時，γ′相呈球形分布，當錯配度為0.5%～1%時，γ′相呈立方形分布。Yuan[20]認為，元素在γ′相與γ基體間的擴散會影響其晶格錯配。Liu[15- 16]認為交變磁場對Al- Mg與Al- Cu的元素互擴散有促進作用，可促進Al- Mg及Al- Cu擴散中間相的生成。眾所周知，元素Al為γ′相(Ni3Al)基本形成元素，交變磁場對Al元素在γ′相與γ基體間的擴散起促進作用，可以促使γ′相的粗化，同時影響γ′粗化的晶格錯配，是時效過程中γ′相形貌變化的主要原因。由于交變磁場可以促進Al元素的擴散，促使γ′相由球形向立方形轉(zhuǎn)變，所以在交變磁場下進行高溫合金的熱處理時，可以縮短時效時間和適當降低時效溫度，得到與無磁場條件下原溫度時效效果相同或立方度更高的γ′相。

圖2 鑄態(tài)(a)和固溶態(tài)(b)DZ483合金枝晶干處γ′相的形貌

圖3 不同交變磁場強度不同溫度時效4 h后合金枝晶干處γ′相的形貌

2.2 交變磁場對DZ483合金力學性能的影響

DZ483合金枝晶的SEM形貌如圖4(a)所示，隨機選擇枝晶干部位的35個點對γ′相進行EDS分析，結(jié)果如圖4(b)所示。從圖中可以看出，施加交變磁場后γ′相中Al、Ta元素含量增加，說明交變磁場促進了Al和Ta元素從γ基體向γ′相的擴散，而Co、Cr和W元素的含量降低，在體系元素含量不變的情況下，這些元素更多地溶入γ基體中。

對不同交變磁場強度1 080 ℃時效處理4 h后的DZ483合金試棒進行高溫拉伸試驗，試驗溫度為950 ℃，結(jié)果如圖5所示?？芍┘?.06 T和0.1 T交變磁場熱處理后的合金，其抗拉強度分別比無磁場時的增加了2.3%和4.5%。

圖4 DZ483合金枝晶的SEM形貌(a)和不同交變磁場強度熱處理后DZ483合金枝晶干處γ′相

圖5 不同交變磁場強度熱處理后DZ483合金的高溫抗拉強度

元素Al是γ′相的基本形成元素，隨著γ′相中Al含量的增加，γ′相含量也相應增加；元素Ta是γ′相的主要強化元素，更多的Ta溶入γ′相可以增加γ′相的反相疇界能，促使位錯切割機制的沉淀強化作用增強；更多的元素Co進入γ基體中，可以降低基體的堆垛層錯能，增大層錯產(chǎn)生幾率，增加層錯寬度，促使位錯運動困難，引起固溶強化；更多的元素Cr進入γ基體后會增加γ基體的晶格畸變，產(chǎn)生彈性應力場強化，使γ基體的固溶強化作用增強；元素W的原子半徑較大，更多的W進入γ基體中會引起基體晶格膨脹，形成長程應力場，阻礙位錯運動，提高合金的強化作用[3]，進而提高了高溫合金的力學性能。

3 結(jié)論

(1)在DZ483合金熱處理過程中施加交變磁場，可以促進γ′相由球形向立方形轉(zhuǎn)變，同時可以促使γ′相排列更加規(guī)則。

(2)交變磁場使DZ483合金γ′相中Al和Ta元素含量增加，Co、Cr和W元素含量降低。

(3)施加0.06 T和0.1 T交變磁場熱處理后，DZ483合金的高溫抗拉強度分別比無磁場時提高了2.3%和4.5%。

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收修改稿日期：2016- 06- 06

Effect of Alternating Magnetic Field on Microstructure and Mechanical Properties of Superalloy DZ483

Ma Chenkai XuanWeidong Wang Huan Zhao Dengke Yuan Zhaojing Ren Zhongming

(State Key Laboratory of Advanced Special Steel & Shanghai Key Laboratory of Advanced Ferrometallurgy & School of Materials Science and Engineering, Shanghai University, Shanghai 200072, China)

The morphology of frpphase and mechanical properties of nickel- base superalloy DZ483 were investigated through solution and aging treatment under alternating magnetic field. The results showed that on the one hand, the morphology of n the on transformed from sphere to cube and be aligned regularly under alternating magnetic field. On the other hand, the content of Al and Ta increased, while the Co, Cr and W decreased in the en conte Moreover, the high temperature tensile strength of DZ483 superalloy at 950 ℃ increased by 2.3% and 4.5% under alternating magnetic field of 0.06 T and 0.1 T compared with that without magnetic field, respectively.

alternating magnetic field，DZ483 superalloy，heat treatment，γ′rphase，mechanical property

國家自然科學基金(U1560202,51401116,51404148)；上海市科委項目(13521101102,14521102900)；上海市商用航空發(fā)動機領域聯(lián)合創(chuàng)新計劃

馬晨凱，男，主要從事高溫合金的熱處理研究，Email:malayy@126.com

任忠鳴，教授，Email:zmren@shu.edu.cn