上海雄鋼特種合金有限公司

GH2130合金是我國自主研發(fā)的Fe-Ni基沉淀強(qiáng)化型高溫合金，除采用Al、Ti進(jìn)行沉淀強(qiáng)化以外，還加入了ｗ強(qiáng)化固溶體，以B、Ce凈化、強(qiáng)化晶界，且由于具有較高的熱強(qiáng)性能、良好的熱加工塑性，主要用于制作航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片，海輪動(dòng)力機(jī)增壓渦輪、航天器用緊固件等，是國防和經(jīng)濟(jì)建設(shè)不可缺少的一類重要材料。

早期研究表明，電極重熔可以改善鋼的結(jié)晶狀態(tài)，降低鋼中氣體含量、夾雜物含量，提高鋼的純度，重熔后的鋼錠質(zhì)量比原始單聯(lián)冶煉的電極質(zhì)量優(yōu)越。因此，軍工、航空、航天和電子等高精尖用材都采用雙聯(lián)或三聯(lián)重熔工藝生產(chǎn)。但在重熔過程中，由于工藝制定不夠合理或生產(chǎn)異常，也易產(chǎn)生一些低倍缺陷。點(diǎn)偏是一種高溫合金重熔過程中易出現(xiàn)的宏觀偏析，其對(duì)于材料的力學(xué)性能有很大影響，而且在均勻化及隨后的熱加工過程中難以消除。所以，有點(diǎn)偏的部件，必須報(bào)廢，這一問題嚴(yán)重降低了生產(chǎn)的成材率，并增加了生產(chǎn)成本。本文通過該合金的點(diǎn)偏特征，從試驗(yàn)和理論兩方面對(duì)于點(diǎn)偏問題進(jìn)行了分析，并探討了該合金點(diǎn)偏形成的可能原因，改進(jìn)了原重熔工藝。

１試驗(yàn)材料與方法

本文中GH2130合金采用真空感應(yīng)冶煉電極和真空自耗重熔鋼錠的雙聯(lián)冶煉工藝，然后經(jīng)鍛造軋制成Φ55棒材。合金的化學(xué)成分范圍控制見表１。

對(duì)本次試驗(yàn)合金Φ55棒材頭中尾取樣，檢驗(yàn)低倍點(diǎn)偏缺陷。通過金相顯微鏡、電子探針等檢測(cè)方法從形貌、相成分等方面對(duì)缺陷進(jìn)行分析，同時(shí)采用Therm-Calc熱力學(xué)計(jì)算軟件，對(duì)合金缺陷及正常區(qū)域的相組成進(jìn)行計(jì)算，并分析凝固過程合金液固相區(qū)元素的分布情況。

2.1組織觀察

合金棒材橫向低倍腐蝕結(jié)果如圖1所示，圖中方框區(qū)域標(biāo)示出部分點(diǎn)偏位置。觀察發(fā)現(xiàn)，Φ55熱軋棒頭中尾低倍均有較多黑點(diǎn)，且多分布在R/2到邊緣處，而在R/2到中心僅觀察到少量黑點(diǎn)。將高倍試樣腐蝕，能觀察到缺陷處有灰黑色斑區(qū)。金相顯微鏡下，對(duì)合金點(diǎn)偏組織和正常組織進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖2所示。觀察可見，在低倍橫剖面或縱剖面，缺陷區(qū)域與正常組織的晶粒度大小基本相當(dāng)，但合金的正?；w組織中僅局部有少量分散的一次碳化物，而點(diǎn)狀缺陷區(qū)域則有大量形狀不規(guī)則、大小不一的黑灰色析出聚集相。

由圖2可見，偏聚析出相在缺陷區(qū)域呈條帶狀分布，寬度約300～600μm，進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，缺陷區(qū)主要有兩種析出物，一種呈條狀、塊狀，尺寸較大；另一種尺寸較小，呈顆粒狀密集分布于晶界中。圖3為缺陷區(qū)聚集的小顆粒狀和塊狀析出相。

2.2成分分析

采用EPMA（電子探針）對(duì)缺陷區(qū)域析出物進(jìn)行成分分析，結(jié)果表明，缺陷區(qū)域有兩種析出相，這與上述金相觀察一致。EDS（X射線能譜儀）顯示，較細(xì)小的顆粒狀析出相富含Ti、Cr、W等元素；較大塊狀析出相富含C、Ti、Ni、W等元素。從表2數(shù)據(jù)可以初步判斷，其中較大塊狀析出物應(yīng)為鈦的碳化物。

對(duì)缺陷區(qū)域進(jìn)行面掃描，檢測(cè)到平均成分如表3所示，可見該區(qū)域存在Ti、W等元素的富集。這些元素在重熔凝固過程中向枝晶間嚴(yán)重偏聚，形成大量碳化物和LAVES相聚集區(qū)，腐蝕后在低倍呈現(xiàn)黑色點(diǎn)狀缺陷。

2.3熱力學(xué)計(jì)算研究

為了更深入了解該合金點(diǎn)偏區(qū)域的相變特征，采用熱力學(xué)計(jì)算方法對(duì)合金液固兩相區(qū)中各元素?zé)崃W(xué)分配行為進(jìn)行計(jì)算，并以合金成分進(jìn)行熱力學(xué)分析，計(jì)算結(jié)果見圖4。

表4所示為各相計(jì)算成分，結(jié)合上述缺陷分析可以確定，缺陷區(qū)中富含Ti、C的較大塊狀析出物為一次碳化物，而富含Ti、Cr、W的小顆粒析出相為Laves相。

由文獻(xiàn)可知，在凝固過程中，冷卻速度對(duì)合金液態(tài)中元素的最終分配影響很大，并將遺傳至固態(tài)。當(dāng)合金正常凝固時(shí)，兩相區(qū)枝晶干逐漸生長，溶質(zhì)元素富集的熔體與正常熔體之間由于密度不同，產(chǎn)生流動(dòng)，部分溶質(zhì)元素將排入臨近枝晶間殘余熔體中。此時(shí)若熔化速度過快、熔池較深、凝固速度相對(duì)偏低時(shí)，枝晶間液流會(huì)跨越若干枝晶干呈一通道流動(dòng)，匯聚凝固后則形成點(diǎn)偏，在低倍腐蝕條件下呈黑灰色斑點(diǎn)狀。由此可知，對(duì)于該合金，當(dāng)VAR熔速設(shè)定過高，致C、Ti、W偏聚到一定程度，則必定會(huì)導(dǎo)致合金點(diǎn)偏的出現(xiàn)，同時(shí)也將直接影響到后續(xù)合金的加工及使用性能。

3工藝改進(jìn)

由于GH2130合金熱軋棒材在整支長度方向均發(fā)現(xiàn)了點(diǎn)偏，根據(jù)該特征可以推斷引起點(diǎn)偏的原因必定是伴隨整個(gè)重熔過程的，而不是過程的某一個(gè)異常現(xiàn)象。由于伴隨整個(gè)重熔過程的參數(shù)包括熔速、弧長、熔煉氣氛三個(gè)參數(shù)，而從自耗重熔的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)分析，熔煉氣氛并無明顯異常，因此最有可能導(dǎo)致點(diǎn)偏的主要是熔速、弧長以及整個(gè)過程的穩(wěn)定性。基于上述分析，對(duì)鋼錠重熔工藝進(jìn)行調(diào)整，將關(guān)鍵參數(shù)熔速較原工藝調(diào)低0.5kg/min，并調(diào)整相關(guān)參數(shù)值，然后在合金軋制成棒材后再次于Φ55熱軋棒成品頭尾取低倍樣檢測(cè)，腐蝕結(jié)果如圖5所示。低倍樣均未見點(diǎn)狀缺陷，且理化性能也完全達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)要求。

4結(jié)論

（1）在原有VAR冶煉條件下，GH2130合金較易產(chǎn)生點(diǎn)偏，主要出現(xiàn)在1/2R至1/4R附近。

（2）點(diǎn)狀缺陷區(qū)域主要存在兩種析出相，分別是富Ti、W的一次碳化物及富Ti、Cr、W的小顆粒Laves相。

（3）降低VAR熔速，減小熔池深度，可有效消除這種點(diǎn)偏缺陷。