楊啊濤，李應(yīng)平，何磊，徐鵬，李海松，郭雄

（1.東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司，四川 德陽(yáng)，618000；2.長(zhǎng)壽命高溫材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 德陽(yáng)，618000）

0 引言

熔模鑄造能實(shí)現(xiàn)高精度無余量精密鑄造，在燃?xì)廨啓C(jī)透平高溫葉片的精確成形中具有舉足輕重的作用[1-3]。高溫合金成分復(fù)雜，通常含有十多種元素，這些元素在合金中起的作用不同，對(duì)合金組織的影響也各有差異。Mar M247合金是一種典型的鎳基高溫合金，由于其良好的高溫力學(xué)性能和抗熱腐蝕性能，被廣泛應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)透平高溫葉片[4-7]。葉片組織的優(yōu)劣決定葉片性能的優(yōu)劣，優(yōu)良的葉片性能是機(jī)組安全運(yùn)行的必要條件，因此對(duì)葉片組織的檢測(cè)也是一項(xiàng)關(guān)鍵的檢驗(yàn)項(xiàng)目。

本文以某燃機(jī)透平實(shí)心動(dòng)葉片為研究對(duì)象，采用熔模鑄造工藝，其結(jié)構(gòu)包括葉根、葉身及葉頂，在對(duì)葉片截面組織檢測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)葉頂和葉身交接處有異常組織出現(xiàn)，這個(gè)部位屬于葉片的關(guān)鍵部位，為了找出異常組織出現(xiàn)的原因，解決實(shí)際工程問題并提出工藝改進(jìn)，借助光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡檢測(cè)，結(jié)合數(shù)值模擬對(duì)這種異常組織形貌特征、位置分布及產(chǎn)生原因進(jìn)行了分析。

1 試樣制備與方法

通過熔模精密鑄造方法成型燃機(jī)透平葉片，并對(duì)異常組織區(qū)域進(jìn)行解剖制樣，取得的切割試樣共2件，長(zhǎng)40 mm，厚5 mm，解剖部位如圖1所示。圖中顯示的截面1緊貼葉頂截面，是評(píng)估異常組織分布大小的重要截面。采用鉬酸試劑浸蝕試樣3～5 s，并置于光學(xué)顯微鏡下觀察異常組織在不同散熱工藝下的形貌及分布狀態(tài)，同時(shí)，使用電子顯微鏡對(duì)組織的成分進(jìn)行掃描分析，以及結(jié)合PROCAST軟件模擬葉片凝固過程及溫度場(chǎng)分布，闡述異常組織的形成原因。Mar M247高溫合金的成分見表1。

圖1 某燃機(jī)透平動(dòng)葉片及解剖部位示意圖

表1 Mar M247高溫合金化學(xué)成分wt%

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 異常組織的形貌特征及成分分析

從圖2（a～b）看到試樣截面經(jīng)鉬酸腐蝕后，中間區(qū)域和周邊組織有一個(gè)明顯的顏色差異，經(jīng)光學(xué)顯微鏡觀察，異常組織腐蝕效果更嚴(yán)重，枝晶間黑色區(qū)域比正常組織要更為顯著。而圖2（c～d）的顯微組織則顯示，異常組織析出的共晶和碳化物明顯多于正常組織。

圖2 異常組織的形貌特征

使用電子顯微鏡對(duì)異常組織、過渡區(qū)域及正常組織進(jìn)行面掃描能譜分析，結(jié)果如圖3～4所示。結(jié)果顯示：異常組織Hf元素的含量是正常組織的3倍， Ti、Mo含量也明顯高于正常區(qū)域，而W元素則低于正常區(qū)域。從元素分布圖可以直觀看到，Hf元素在異常區(qū)域分布廣泛，且明顯多于正常區(qū)域。由于Hf元素是強(qiáng)烈偏析元素，其常偏析于枝晶間，而異常組織的出現(xiàn)明顯是1種嚴(yán)重的成分偏析現(xiàn)象[8-11]。于洵[12]等對(duì)K4750高溫合金的偏析研究發(fā)現(xiàn)，合金中W、Fe、Cr的溶質(zhì)分配系數(shù)大于l，富集于枝晶干，為負(fù)偏析元素；Ti、Nb、C、Mo富集于枝晶間的液相中，為正偏析元素，和本文中元素偏析有類似的發(fā)現(xiàn)。

圖3 異常組織及周邊組織能譜分析

圖4 異常組織Hf元素分布圖

安寧[13]等以Mar-M247合金為對(duì)象，通過熱力學(xué)模擬計(jì)算，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)：合金的主要平衡析出相為γ′相、MC、M6C、M23C6型碳化物、μ相及MB2、M3B2型硼化物，合金凝固過程中Hf和Ta元素偏析比較嚴(yán)重；Hf、Ti、Ta含量提高有利于MC型碳化物析出；Cr含量提高有利于M23C6型碳化物析出；而W和Mo含量的提高則有利于M6C型碳化物的析出；μ碳相主要受Mo和W元素影響，并隨著二者含量的升高，μ相的析出溫度和質(zhì)量分?jǐn)?shù)均升高；Al、Ti和Ta含量變化均會(huì)影響合金中γ′相的析出量及析出溫度，并且三者對(duì)于γ′相的影響程度依次減弱；組織出現(xiàn)嚴(yán)重偏析現(xiàn)象，一般都被認(rèn)為存在潛在的風(fēng)險(xiǎn)，為了解決實(shí)際工程問題并提出工藝改進(jìn)，避免工藝大改從而增加研發(fā)周期，在不改變頂注澆注系統(tǒng)及其他基礎(chǔ)工藝的前提下，僅對(duì)異常組織部位的散熱工藝進(jìn)行改變，通過模組冷卻速率控制，嘗試消除這種偏析組織。

2.2 不同散熱工藝下對(duì)異常組織的影響

在異常組織部位使用型殼減薄、隨形冷鐵及緩冷等工藝，通過改變散熱條件達(dá)到改變冷卻速率的目的，將試制出的葉片在葉頂和葉身交接處解剖并制樣，不同試樣編號(hào)對(duì)應(yīng)的散熱工藝見表2。熱處理態(tài)葉片異常組織部位冷卻速率V#3＞V#1＞V#4＞V#2，鑄態(tài)葉片異常組織部位冷卻速率V#6＞V#5。以緊貼葉頂截面1為參照截面，經(jīng)鉬酸腐蝕后，檢查該截面上異常組織區(qū)域顯示大小并標(biāo)記，如圖5所示。結(jié)果表明：鑄態(tài)時(shí)已存在異常組織，經(jīng)熱等壓和熱處理后，這種組織也很難消除。無論鑄態(tài)和熱處理態(tài)的葉片解剖結(jié)果都顯示散熱工藝稍快的葉片，同一截面處異常組織區(qū)域有變小趨勢(shì)，說明散熱冷卻對(duì)異組織效果顯著。另外5號(hào)樣品鑄態(tài)射線檢測(cè)沒有發(fā)現(xiàn)內(nèi)部缺陷，發(fā)現(xiàn)了異常組織，6號(hào)樣品在葉頂和葉身交接R角位置發(fā)現(xiàn)4級(jí)疏松，經(jīng)取樣腐蝕檢查金相，發(fā)現(xiàn)有異常組織和疏松一起存在，這說明異常組織的產(chǎn)生不是由于縮松或縮孔壓合后產(chǎn)生的，在葉片鑄態(tài)時(shí)就產(chǎn)生了這種異常組織。

表2 不同試樣編號(hào)對(duì)應(yīng)的散熱工藝

圖5 不同散熱工藝下對(duì)異常組織的影響

2.3 對(duì)澆注系統(tǒng)疏松、縮孔部位進(jìn)行解剖取樣分析

為了驗(yàn)證合金液補(bǔ)縮和這種異常組織的產(chǎn)生是否有關(guān)聯(lián)，對(duì)澆注系統(tǒng)口進(jìn)行解剖，對(duì)含有疏松和縮孔的部位進(jìn)行取樣、制樣腐蝕觀察，在疏松、縮孔周邊均沒有出現(xiàn)異常組織。結(jié)合5、6號(hào)試樣結(jié)果，有疏松的葉片異常組織較小，無內(nèi)部缺陷的葉片異常區(qū)域更大，這說明補(bǔ)縮不足不是產(chǎn)生異常組織的直接因素。

圖6 澆注系統(tǒng)疏松、縮孔部位取樣

2.4 對(duì)異常組織區(qū)域分布

通過解剖取樣5、6號(hào)樣品的異常組織周邊位置（紅色標(biāo)記解剖切割區(qū)域），6號(hào)試樣的異常組織較大。具體為葉頂位置以及葉身部分查看異常組織的分布情況。經(jīng)過金相觀察，除去之前解剖的異常區(qū)域（40 mm×10 mm），葉身方向和葉頂位置分別有約3 mm和2 mm的異常組織，均在圖上綠色標(biāo)記出來，如圖7所示?？梢钥闯霎惓＝M織高度方向總計(jì)約15 mm，其中葉身13 mm，葉頂部位深度2 mm。結(jié)合之前截面分析結(jié)果可知寬度方向約30 mm，因此異常組織分布如圖8所示。

圖7 異常組織及周邊位置解剖

圖8 異常組織區(qū)域分布

2.5 溫度場(chǎng)模擬及澆注系統(tǒng)改進(jìn)

通過模擬溫度場(chǎng)，結(jié)合葉片結(jié)構(gòu)，葉根和葉身交接R角位置的溫度場(chǎng)凝固特點(diǎn)與發(fā)現(xiàn)異常組織的葉頂和葉身交接R角位置有類似熱節(jié)，這種熱節(jié)位置由于截面突變，容易補(bǔ)縮不足，是缺陷的易發(fā)區(qū)域。通過實(shí)物解剖，制樣腐蝕觀察，沒有出現(xiàn)異常組織，結(jié)合溫度場(chǎng)模擬可知，葉根對(duì)該部位R角補(bǔ)縮充分，從葉身向葉根順序凝固，因此沒有造成偏析，相比而言葉頂R角由于自身結(jié)構(gòu)，葉頂處的補(bǔ)縮不夠充分，補(bǔ)縮通道易于堵塞，另外該部位凝固緩慢，導(dǎo)致出現(xiàn)嚴(yán)重偏析現(xiàn)象。

由于之前沒改變澆注系統(tǒng)，僅改變局部散熱冷卻條件，如#5試樣冷卻較快，最終是減小異常組織區(qū)域，不能百分百有效消除異常組織。強(qiáng)軍鋒[14]等提出適當(dāng)提高固溶溫度，延長(zhǎng)固溶時(shí)間，增加固溶處理步驟可以顯著減少合金元素的偏析，但是得在沒有初熔組織存在的條件下，目前熱處理溫度已經(jīng)沒有上升空間，再上升會(huì)出現(xiàn)初熔組織。因此考慮改變澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在葉頂處增加底注內(nèi)澆口，后續(xù)加工去除多余金屬，從圖9模擬結(jié)果可以看出澆注系統(tǒng)改進(jìn)后葉頂縮孔縮松缺陷預(yù)測(cè)下移，此處補(bǔ)縮增強(qiáng)，經(jīng)過澆注系統(tǒng)改進(jìn)，另外結(jié)合葉頂R角冷卻加快工藝措施，完全解決了凝固后期出現(xiàn)補(bǔ)縮通道堵塞、凝固緩慢而發(fā)生偏析的問題。

圖9 澆注系統(tǒng)改進(jìn)前后縮孔縮松缺陷分布預(yù)測(cè)

3 結(jié)論

提出工藝改進(jìn)，借助光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡檢測(cè)，結(jié)合軟件模擬對(duì)這種異常組織形貌特征、分布及產(chǎn)生原因進(jìn)行分析，得到如下結(jié)論：

（1）異常組織位于葉片的熱節(jié)部位，在鑄態(tài)時(shí)已經(jīng)產(chǎn)生，不是縮松或縮孔壓合后產(chǎn)生的。

（2）異常組織產(chǎn)生的原因本質(zhì)上是1種嚴(yán)重偏析，主要是富高熔點(diǎn)元素Hf/Ti等。

（3）在不改變頂注澆注系統(tǒng)及其他基礎(chǔ)工藝的前提下，僅對(duì)異常組織部位的散熱工藝進(jìn)行改變，發(fā)現(xiàn)冷卻較快的工藝可以使異常區(qū)域變小。

（4）單純補(bǔ)縮不足不是產(chǎn)生異常組織的直接因素，和熱節(jié)部位的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，熱節(jié)部位補(bǔ)縮不足及凝固緩慢共同導(dǎo)致凝固后期發(fā)生偏析。

（5）通過解剖異常組織及周邊部位，基本可以得到異常組織的縱向和橫向分布情況，異常組織主要分布在靠近葉頂R角附近偏葉身一側(cè)。

（6）結(jié)合數(shù)值模擬以及試驗(yàn)驗(yàn)證，葉片結(jié)構(gòu)不變的情況下，最終消除這種異常組織的有效果辦法是改進(jìn)澆注系統(tǒng)，增加底注內(nèi)澆口，給異常部位提供充足的補(bǔ)縮，保持補(bǔ)縮通道通暢，并且對(duì)熱節(jié)部位減薄型殼或者其他增強(qiáng)冷卻的工藝措施即可消除這種異常組織。