（材料加工工程专业论文）等温热处理对k4169高温合金组织和力学性能的影响.pdf

硕 j 学位论文 摘要 k 4 1 6 9 高温合金在使用中存在一些问题，如微观组织偏析严重、树枝晶粗大， 有大块的l a v e s 相、存在缩孔和疏松。如果能减少偏析，使粗大的树枝晶变为较 为细小的等轴晶，则能提高合金性能的稳定性，使该合金得到更为广泛的应用。 半固态成形技术可以改善合金组织，使铸件内部组织致密，气孔、偏析等缺陷减 少，使合金的力学性能得到提高。本实验通过半固态等温热处理的方法研究了等 温热处理温度和保温时间对k 4 1 6 9 高温合金半固态组织演变和力学性能的影响， 并研究了固溶加时效、高温长期时效和热腐蚀环境对合金组织和力学性能的影响。 本文的主要研究结果如下： ( 1 ) 等温热处理可以将k 4 1 6 9 合金铸态组织中的枝晶组织转变为球形晶粒组 织；最佳等温热处理工艺为保温温度1 3 2 0 左右，保温时间4 5 m i n 左右；合金在最 佳等温热处理工艺下的半固态组织的压缩强度大于合金的铸态组织，半固态组织 的硬度与铸态相比有所降低。 ( 2 ) k 4 1 6 9 合金的半固态组织经9 5 0 1 1 0 0 不同固溶温度处理后，随着固溶 处理温度的提高，丫相逐渐溶解，有元素偏聚的晶间有害组织消失；压缩强度随 固溶温度的升高而降低，合金的硬度随固溶温度的升高而降低。 ( 3 ) k 4 1 6 9 合金的半固态组织经不同固溶温度处理后，再经过7 2 0 ，8 h 炉冷 至6 2 0 ，8 h 空冷的时效处理，合金的力学性能提高；随固溶温度的升高丫7 相析 出量增加，且尺寸变的细小均匀、分布弥散；固溶温度高时，合金半固态组织经 时效处理后的压缩强度及硬度高于固溶温度低的。 ( 4 ) k 4 1 6 9 合金铸态组织经9 5 0 固溶加时效处理，再经过6 5 0 、1 0 0 h 的长 期时效后，相发生丫”_ 6 n i 3 n b 的转变，产生片状6 相；合金的铸态组织和半固 态组织经不同的固溶加时效处理，在长期时效后，压缩强度和硬度都下降；两种 组织在固溶加时效热处理中采用1 1 0 0 、1 h 的固溶温度后，合金的力学性能更好。 ( 5 ) k 4 1 6 9 合金铸态组织与半固态组织经1 1 0 0 固溶加时效处理后，再经热腐 蚀，两者失重量相差不大；腐蚀层主要为氧化层和硫化层。 关键词：k 4 1 6 9 高温合金；半固态等温热处理；固溶；时效；长期时效；热腐蚀； 组织演变；力学性能 a b s t r a c t s o m ed e f e c t se x i s t e di nk 416 9 s u p e 卜a l l o y s u c ha ss e r i o u sm i c r o s t r u c t u r e s e g r e g a t i o n ，t h i c kd e n d r i t e ，b i gl a v e sp h a s e ，s h r i n k a g ea n do s t e o p o r o s i s t h es t a b i l i t y o fa 1 1 0 y sp e r f o r m a n c ec a nb ei n l p r o v e da n dt h ea l l o yc a nb e w i d e l yu s e da si ft h i s s e g r e g a t l o nw a sr e d u c e d ，t h et h i c kd e n d r i t ew a sc h a n g e di n t os m a l le q u i a x e dg r a i n s s e m i 。s o l i d f o r m i n gt e c h n o l o g yc a ni m p r o v et h ea l l o ys t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e s ，r e d u c et h es t o m a t aa n ds e g r e g a t i o n t h ep r e s e n td i s s e r t a t i o ni n v e s t i g a t e dt h e i n f l u e n c eo fi s o t h e r m a lh e a tt r e a t m e n tt e m p e r a t u r ea n dt h e r m a li n s u l a t i o nt i m eo nt h e s e m 卜s o l i dm l c r o s t r u c t u r ee v 0 1 u t i o na n dm e c h a n i c a l p e r f o r m a n c eo fk 4 16 9s u p e r - a l l o y a n di n v e s t i g a t e di n f l u e n c i n gf a c t o ro fm i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp e r f o r m a n c ei n t h ec o n d i t i o no fs o l i ds o l u t i o na g i n gt r e a t m e n t ，h i g h - t e m p e r a t u r el o n g t e r ma g i n ga n d h o tc o r r o s i o n t h em a i nr e s u l t sa sf o l l o w ： ( 1 ) t h ed e n d r i t i cs t r u c t u r ei nt h ec a s t i n gs t r u c t u r eo fk 4l6 9s u p e r a l l o yw a s t r a n s f e r r e di n t os p h e r i c a l 鲈a i ns t m c t u r eb ys e m i s o l i di s o t h e r m a lh e a tt r e a t m e n t t h e b e s th e a tt r e a t m e n tp r o c e s s ：h e a tt r e a t m e n tt e m p e r a t u r e l3 2 0 ，t h e r m a li n s u l a t i o n t i m e4 5 m i n t h ec o m p r e s ss t r e n g t ho fk 4 16 9i nt h eb e s th e a tt r e a t m e n tp r o c e s si s h l g h e rt h a nc a s t i n gs t r u c t u r e c o m p a r e dt oc a s t i n gs t r u c t u r e ，h a r d n e s so fs e m i s o l i d s t r u c t u r ed e c r e a s e d ( 2 ) a r e rd i f i f e r e n ts o l i ds o l u t i o nt e m p e r a t u f et r e a t m e n tr a n g e df r o m9 5 0 t o 1lo o ，t h e 丫 p h a s ei nt h es e m i s o l i ds t r u c t u r eo fk 4l6 9s u p e 卜a l l o yw a sd i s s o l u t i o n w i t ht h ei n c r e a s i n go fs o l i ds o l u t i o nt r e a t m e n tt e m p e r a t u r e ，a n dh a n n f u li n t e r g r a n u l a r s t r u c t u r ew a sd i s a p p e a r e d c o m p r e s s i v es t r e n g t ha n d h a r d n e s so fa l l o yw e r ed e c r e a s e d w i t ht h ei n c r e a s i n go fs o l i ds o l u t i o nt e m p e r a t u r e ( 3 ) a r e rd i f f e r e n ts o l i ds o l u t i o nt e m p e r a t u r et r e a t m e n ta n da g i n gt r e a t m e n t ( 7 2 0 ，8 h + 6 2 0 ，8 h ，a i r c o l d ) ，t h em e c h a n i c a lp e r f o r m a n c eo fa l l o yw e r ei m p r o v e d w i t ht h ei n c r e a s i n go fs o l i ds o l u t i o n t e m p e r a t u r e ， t h ea m o u n t o f 丫7p h a s ew e r e i n c r e a s e d ，t h es i z eo f 丫 p h a s ew a s t h i na n dw e l l p r o p o r t i o n e d ，t h ed i s t r i b u t i o no f 丫7 p h a s ew a sd i s p e r s e d ，t h ec o m p r e s si n t e n s i t ya n dt h eh a r d n e s so fa l l o ys e m i - s o l i d s t l l l c t u r ew e r ei n c r e a s e d ( 4 ) a f t e rs o l i ds o l u t i o n ( 9 5 0 ) + a g i n gt r e a t m e n ta n d1 0 n g t e n na g i n gt r e a t m e n t ( 6 5 0 ，10 0 h ) ，丫 p h a s ec h a n g e di n t o6p h a s e ；a f ! t e rd i f i f e r e n ts o l i ds o l u t i o nt r e a t m e n t a n dl o n gt e r ma g i n gt r e a t m e n t ，t h ec o m p r e s si n t e n s i t ya n dt h eh a r d n e s so f s e m i s o l i d n 硕 。学何论文 s t r u c t u r ea n dc a s t i n gs t r u c t u r ew e r ed e c r e a s e d a f t e rs o l i ds o l u t i o nt r e a t m e n t ( 110 0 ，1 h ) ，t h em e c h a n i c a lp e r f o r m a n c eo fs e m i s o l i ds t r u c t u r ea n dc a s t i n gs t r u c t u r e w e r eb e t t e r ( 5 ) a r e rs o l i ds o l u t i o n ( 1 10 0 ) + a g i n gt r e a t m e n ta n dh o tc o r r o s i o n ，t h e l o s e w e i g h t o f c a s t i n g s t r u c t u r ea n ds e m i s o l i d s t r u c t u r ew e r ea l m o s t e q u a l ；t h e c o m p o s i t i o no fc o r r o s i o nl a y e rw e r eo x i d el a y e ra n ds u l f i d el a y e r k e yw o r d s ： k 4l6 9 s u p e r - a l l o y ； s e m i s o l i di s o t h e r m a lt r e a t m e n t ； s o l i ds o l u t i o n t r e a t m e n t ；a g i n gt r e a t m e n t ；l o n g - t e r ma g i n g ；h o tc o r r o s i o n ；m i c r o s t r u c t u r ee v o l u t i o n ； m e c h a n i c a lp e r f o r m a n c e i u 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名： 当仁 日期： 口? 年衫月孑日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中 国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 癌薇 导师签 日期： 日期： 寥 。 。 年年 岬勺厂 秒 硕卜学位论文 第一章绪论 1 1 半固态金属加工技术概述 1 1 1 半固态金属加工技术的出现和概念 半固态加工起源于2 0 世纪7 0 年代初的美国麻省理工学院，当时m e n o n f l e m i n g 教授的博士研究生d a v i ds p e n c e r 在研究剪切率对s n 1 5 p b 合金凝固的影 响时发现：当对处于液固相区间( 液固混合区) 的合金进行连续搅拌时，能够获得相 当低的表观粘度，甚至当搅拌后的金属浆料中的固相分数达到5 0 或6 0 时，其 流动阻力也可与粘性流体相媲美；对于高的固相分数，搅拌后的固液混合物仍旧 易于变形，只需用很小的压力即可充满型腔复杂的压型，并且，剪切变形后的合 金晶体形状是非枝晶状的，而通常的铸造中所产生的晶体形状是树枝状的。随后， f l e m i n g s ，m e h r a b i a n 及其他一些合作者们又对其他金属进行了广泛的研究，其 主要研究重点集中在半固态金属浆料的结构及其变形行为上，他们共同发现：浆 料的流动特性由浆料的结构决定，凝固期间的连续搅拌能够产生一种等轴状固体 颗粒的浆料，浆料中的球形颗粒能够在液体基体中非常容易地移动，而不形成互 相连接的枝晶网络结构。随后，在麻省理工学院的学者们意识到金属凝固的这一 特性及其潜在的应用价值后，由美国国防部组织进行了有关半固态工艺的研究， 有麻省理工学院、伊利诺斯洲大学、通用电器公司、希奇奈制造公司等单位参加。 据美国国防部国防先进研究规划局的一份报告预计，可将此法用于部分军械产品 的铸造上。报告估计：如果在国防部采购的小型黑色金属军械零件中有1 0 采用 半固态压铸，每年可以节省数百万美元。至此，半固态加工技术从萌芽直至初步 应用，美国走在最前列，并很快作为一项新的加工技术在全球应运而生了。 半固态加工技术( s e m i s o l i dm e t a l f o r m i n g ) ，简称s s m ，就是金属在凝固过程 中，进行剧烈搅拌，或控制固液态温度区间，得到一种液态金属母液中均匀地悬 浮着一定固相组分的固液混合浆料( 固相组分甚至可高达6 0 ) ，这种半固态金属浆 料具有流变特性，即半固态金属浆料具有很好的流动性，易于通过普通加工方法 制成产品，采用这种即非完全液态，又非完全固态的金属浆料加工成形的方法， 就称为半固态金属加工技术。 1 1 2 半固态金属加工技术在金属成形领域中的地位 金属材料，以固态向液态或液态向固态的转换过程中，均经历着半固态。特 别是对于结晶温度区间宽的合金，尤为明显。半固态是金属凝固过程中的一个必 “拿泓坎处刀l ，jk 1 1 ( ) 需i ? 怂合舍纲纱：和f j 学n 能的影响 经阶段，由于三个阶段中，金属材料呈现出不同的特性，利用这些特性，便产生 了塑性加工、铸造加工和半固态加工等多种热加工成形方法乜3 1 。 铸造属于液体充填形式的加工方法。它利用液态金属具有良好的流动性，以 完成成形过程中的充型、补缩、直至凝固。为了提高铸件的质量和尺寸精度，铸 造不断地向快速、精密、高压方向发展。然而，从凝固机理角度看铸造加工要想 完全消除铸件内部缺陷是极其困难的。 塑性加工属于固体充填形式的加工方法。它利用固体金属在高温下呈现较好 的塑性流动性，以完成成形过程的充填。采用压力加工方法生产的制件，其质量 远高于用其他方法生产的制件。但是固态金属变形抗力高，需要耗费较大的能源。 对于稍微复杂的零件，往往需要多道锻造工序，成形才能完成，成本很高。因此 降低能源消耗和成本，减小单位变形力，提高制件的尺寸精度，保证质量，就成 为塑性加工的发展方向。 半固态金属加工则利用了金属从液态向固态或固态向液态过渡( 即液固共存) 时的特征，它吸取了铸造的充填形式和压力加工的压力因素，是处于二者之间的 一种工艺。其是铸造加工及塑性加工发展的产物，铸造加工向着高速、高压、高 质量、高精度方向发展，最终与液固共存的液态锻造、液态挤压、连续挤压、液 态轧制、半固态加工相衔接；塑性加工向着降低变形抗力及变形能，降低成本， 提高尺寸精度方向发展，最终也与金属材料成液固共存的液态模锻、半固态加工 等工艺相衔接，从而半固态成形技术是铸造及塑性加工相衔接的一种加工工艺， 是一个有别于固态加工和液态加工的领域，是一个非常有效的净近成形技术。 1 1 3 半固态金属加工的优点 与普通的铸造与塑性加工方法相比，半固态金属加工具有许多优点h 5 1 ： ( 1 ) 应用范围广，凡具有固液两相区的合金均可实现半固态加工，大量的金属 合金系已经作为半固态成形的研究对象，包括钢、铜合金等。不仅如此，半固态 材料还可适用于多种加工工艺，如铸造、挤压、锻压和焊接，甚至可用于粉末冶 金等。 ( 2 ) 由于半固态材料比全液态材料具有更高的粘度，因而保持层流流动，充型 时s s m 充型平稳，无湍流和喷溅，加工温度低，凝固收缩小，因而铸件尺寸精度 高。s s m 成形件尺寸与成品零件几乎相同，极大地减少了机械加工量，可以做到 少或无切屑加工，从而节约了资源。同时s s m 凝固时间短，有利于提高生产率。 ( 3 ) 半固态合金已释放了部分结晶潜热，在较低的温度进行加工，因而减轻了 对成形装置，尤其是对模具的热冲击，使其寿命大幅度提高。 ( 4 ) 有相当比例的球状固相存在，与传统的铸造方法相比，已有一部分金属凝 固，且为球状颗粒，这一方面减少了铸件的凝固收缩，另一方面提高了补缩能力， 2 坝l ：掌他沦义 从而减少或消除了缩松倾向，使得s s m 成形件表面平整光滑，铸件内部组织致密， 内部气孔，偏析等缺陷少，组织细小，力学性能高，可接近或达到变形材料的力 学性能。 ( 5 ) 应用半固态加工工艺可改善制备复合材料中非金属材料的漂浮、偏析以及 与金属基体不浸润的技术难题，这为复合材料的制备和成形提供了有利条件。 ( 6 ) 半固态金属表观粘度低，经强烈搅拌的固相分数为4 0 6 0 的半固态金 属，其表观粘度在0 1 p a s 1 0 p a s 之间，与黄油( 0 1 p a s ) 、甘油( 1 p a s ) 和蜂蜜( 1 0 p a s ) 的表观粘度相当，仅比水或纯液态金属高出2 4 个数量级，在重力下仍具有流动性。 与固态金属模锻相比，s s m 的流动阻力显著降低，因此，s s m 模锻成形速度更高， 而且可以成形十分复杂的零件。对于半固态金属浆料，由于存在着液相组元，塑 性变形机理发生变化，而且金属流动条件受到影响。在合金温度超过固相点时， 液相存在于晶界，塑性变形主要是由于晶粒之间的旋转和相对滑移所至。在部分 液态下，晶粒本身的变形对金属流动的影响是次要的。由此可以预料，这种变形 机理使金属的变形更容易，合金的成形性能比普通金属成形工艺更好。 广1r 1r 1 i 树枝状晶r 1 粒状晶r 叫 力学性能提高 l l 异种材料 企屠茸售冬甜蜜l i 高粘度 7 i r 立脯歪殳口1 1 什 容易混合 图1 1 半圆态成形技术特征图 f i g 1 1c h a r a c t e r i s t i cp a t t e mo fs e m i - s o l i df o r m i n gt e c h n o l o g y ( 7 ) 节约能源，以生产单位质量零件为例，半固态加工与普通铝合金铸造相比， 节能3 5 左右。半固态锭料不管在重新加热前还是加热后，都可以象软固体一样输 送，简单方便，无需再用液态铸造时所必须的熔化、熔融金属液的输送、浇注和 附加的控制污染的设备。这不仅减少了设备投资，也改善了车间的劳动条件。总 之，半固态金属加工技术的优点是相当明显的，利用半固态成形技术，可以获得 成本费用低，质量高和足够机械性能的零件。半固态加工技术的主要优越性可以 jl _ 1 1 ， jh t _ b ，rl j l 【i ：_ i ，j ，uj_。 川斟ll 简略表示。 114 半固态金属加工的主要工艺过程 如目i2 所示、 7 阎志金属l i 】i 。的r 艺路线硝两条： 条是将获得的、l7 硎态金 属浆料在保持 半l r ，j 态t 甜度的条f l f _ h l j 进仃h 围志：【】一，：盟常被称为漉变绮迷 ( r h c o c a s t l “g ) 。爿 条芷将、：态浆料冷却一疑成h 、科历，根据“品j t 、f 料，再 - t 船肌热剑、f l = ! 】态温度，然耵进仃成形j ! j 【_ h ，瞳k 被私、为触变成形( r h l x o f o r m l n g ) 。 流业铸造j l i ! | 娈成形】一艺过程见列13 利14 所示。 h 】2 半悯志金槲加】的t 2 苴程 f 。g 12p r o c e s so fs et n l - s o i l dm e i a lp r o c e s s l n g 剧】3 流变铸造j 艺衙l 程小意目 1 1 1 9 】3 s k e t c hm a po f 巾e o c a s t l n gpr o c e s sn o w a m a n u h c t u r es e m l s 0 1 l d “u r r y b t a k es l u 丁ut o 幽c h a m b “ c f o r m i ”gp r o c e s s 由于d 接获得的半崮态金属浆料的保存和输送很不方便”，酬_ l 流变成形发展 缓慢，战熟的应用技术有耀。而半吲志仓属坯料的加热、输送很力便。 易。实 现自动化操作，吲此，半咧态会属触变成形是当今金属半崮态成彤q 土望的 艺 方法。m 然半同态金属流变成形技术较少，1 ：| _ i 是流变成形与 i ! i ! 变成形棚比，前者 丝能节省能源、流程更短、殴备更简单。困此，流变域形技术仍是 吲奄金槲成 膨技术的一个重要发展方向1 。 掺j 岫暑 蚓l4 触坐成彤【艺流程目“ r 。g l4s k e t c hn l a po f 1 i x o mr gpr 。c c s sf l o ” a 一咖u 妇c t u r cs c m ls o i i ds l 【jr yb n u h c t u e m j s o l 【d g o t c 一5 p 1c t g o t d r c h c a t c dt os c m l - s 0 1 】de t a k e1 ti os h o ic l b erf m “gpr n c cs g pr o du c t 5 115 半固态金属坯料的制备 、f 凼态1 ：_ 【】工技术中的一个关键问题就足如何制备优质帅、r 山态台金坯料。也 就是蛭制各| ，【= 半i r j 志f 、有触变陛的m 枝品组织的坯料。剑甘前为止，化枝晶组织 坯料的制符办法r 要宵机械搅拌法、电磁搅拌法、成娈诱发熔化激活法、等黼 热处岬泣、同被混合诲造法、冷却糸= | 槽法等。 嘲15 机械搅拌泣” f 镕15m e c h an l c a 】5 “r “n g ( 1 ) 机械搅拌法“、是最早制各半闻卷浆制的方法，装置见图15 ，主要足由两个 j 温婊处，叩z l jk 1 1 6 9 掰：出禽舍组纵科l 乃。甜i 能n ；杉i 相 同心带齿的圆筒所组成，内筒不动，而外筒旋转；或者是在熔融的金属液中插入 一根搅拌棒进行搅动。此种方法设备简单，易于实现，但操作复杂且存在许多缺 点，如易卷入气体，易氧化，搅拌器的溶解造成浆料的污染，搅拌不均，生产效 率低等缺点，所以一般不用在工业生产中。 ( 2 ) 电磁搅拌法应用较广，相对于机械搅拌法是比较成熟的半固态浆料制备方 法，它是利用电磁感应在半固态金属液中产生感应电流，在外加磁场的作用下进 行固液浆料的搅动，可产生三维流动，搅拌效果较好。它的最大优点是对熔体污 染比较小，气体卷入量也少，不易氧化，设备也较简单，而且生产效率高；缺点 是设备投资大、工艺复杂等阳1 ，其原理见图1 6 。 图1 6 电磁搅拌法1 f i g 1 6e i e c tr o m a g n e t i cs t i r r i n g ( 3 ) 应变诱发熔化激活法( s i m a 法) 是目前除电磁搅拌法外在工业上用于生产 半固态浆料的另一种方法。此方法主要是通过将常规铸造枝晶组织在高温下进行 挤压变形，破碎枝晶组织，再施加足够的冷变形量后加热到两相区，在组织中预 先储存变形能量，然后在加热过程中得到半固态浆料。该方法制备浆料不易污染， 且产量大，生产效率高。但与其他方法相比，工艺比较复杂，因为增加了预变形 处理，生产成本提高，工业中仅适用于小尺寸半固态坯料的制备n 们。 ( 4 ) 等温热处理法( s s i t 法) 是2 0 世纪末发展起来的一种半固态浆料的制备方 法n 。它的组织形成机理为：在半固态温度区间等温一段时间，在此期间，原晶 界处的共晶组织熔入初生晶，破坏晶界，原来的等轴晶变为近球形颗粒，随着等 温时间的延长，共晶组织熔化，使组织分离为球状颗粒，与其他半固态浆料制备 方法相比它省略了半固态成形中专门的浆料制备过程，使触变铸造工艺的流程简 化，是一种很好的浆料制备方法。 ( 5 ) 固液混合铸造法n 2 3 是通过向过热的合金熔体中加入同种合金粉末或异种 合金粉末来获得半固态非枝晶组织，使合金粉末分布均匀化。中南大学的陈振华 等人对此方法进行过较为深入的研究，装置如图1 7 所示。搅拌装置可采用螺旋注 射式或机械搅拌式两种。螺旋注射式装置如图1 7 a 所示，机械式搅拌装置如图1 7 b 6 硕 ：学位论义 所示。该方法最大的优点之一是解决了高合金化铸件难于挤压的问题，因为很多 高合金化铸件由于析出相粗大、偏聚严重等问题，挤压时产生不均匀变形，引起 铸件开裂。而固液混合铸造法解决了铸件显微组织粗大的问题，使得很多高合金 化铸件具有一定可塑性，可以实现挤压和其它一些热加工。在此特点的基础上， 该法是一种很有发展前景的浆料加工方法。 金属锥体进 皮带转动装置 ( a j 塔旋注射武装置 金属锥 无旋涡搅拌示意网 机械搅拌式装置 电机 图1 7 固液混合铸造的搅拌装置随1 f i g 1 7t h es t i r i n gd e v i c e sf 0 rm i x e ds o l i d - l i q u i dc a s t i n gp r o c e s s ( 6 ) 冷却斜槽法n 3 1 是在1 9 9 8 年由日本宇部株式会社发明用于制备铝合金和镁 合金的半固态浆料的新工艺，工艺过程如图1 8 所示。冷却斜槽法的组织形成机理 为：将稍高于液相线温度的熔融金属倒在冷却斜槽上，由于斜槽的冷却作用，在 斜槽壁上有细小的晶粒形核长大，金属流体的冲击和物体的自重作用使晶粒从斜 槽壁上滑落并翻转，可达到搅拌效果。通过冷却斜槽的金属浆料落入容器，控制 容器温度，冷却到半固态成形温度后保温，并达到满足要求的固相体积分数，然 后进行流变成形或触变成形。 琴一 半同鹞槽节蔗 图1 8 冷却斜槽法工艺过程示意图哺1 国外，日本长冈( n a g a o k a ) 技术科学大学的小岛阳( k o j i m a y o ) 等对a z 9 1 d 镁 合金在半固态条件下，利用机械搅拌进行了系列研究，取得了一定的成果n 钉；v i v e s c 和t u r k e l ia 等人分别研究了电磁搅拌球状晶的组织演化n 5 6 1 ；国内，兰州理 7 0 沾。2 热处刀z jk l l l 6 9 矗：址仑食篓1 够| f l i j 学r 能的影l f 工大学陈体军、郝远等n 研究了z a 2 7 合金在应变诱发熔化激活法处理过程中预 形变量和等温时间对组织的影响；哈尔滨工业大学姜巨福、罗守靖等人n 引研究了 等径角挤压法制备镁合金非枝晶组织，结果能获得2 0 m 5 0 m 的细小球晶；东南 大学苏华钦等人用s s i t 法对z a 2 1 锌铝合金进行变质，获得了具有触变性的非枝 晶组织n 引；兰卅i 理工大学李元东等用s s i t 法对a z 9 l d 镁合金和m b l 5 镁合金进 行了研究，取得了具有应用价值的成果并研究成功了镁合金非枝晶半固态合金锭 料的制备心0 2 。 1 1 6 常规铸造与半固态铸造组织性能比较 1 常规铸造组织及常见缺陷 合金在凝固时，由于溶质元素在固相和液相中溶解度的差异，发生了溶质再 分配。若液相内部的实际温度分布小于液相线温度，则在固相前沿液相中产生成 分过冷，所以合金凝固时一般以树枝晶方式生长。晶体在长大时，由于结晶总是 在结晶面溶质偏析小的地方和结晶潜热散出最快的地方优先生长，在晶核长大过 程中，棱角比其他方向导热性好，而且棱角离未被溶质富集的液体最近，因此棱 角方向长大速度比其他方向要快，从八个角长成为菱锥体的尖端，其生长方向几 乎平行于热流，构成树枝晶主轴，称之为一次枝晶臂。垂直于一次枝晶臂而长出 分叉的枝晶叫二次枝晶臂。冷却速度继续增加时，在二次枝晶臂上垂直长出三次 枝晶臂，这些枝晶彼此交错在一起宛如茂密的树枝。由于树枝晶的存在，铸造组 织中产生元素偏析、缩孔缩松、显微气孔等常见缺陷乜2 2 3 j 。 2 半固态铸造对铸件性能的影响 半固态金属的微观组织与常规铸造组织不同，半固态金属具有独特的非枝晶、 近似球形的显微结构，利用半固态铸造方法制造的成形件具有晶粒细小、致密、 组织分布均匀、内部疏松少、尺寸精度高、表面精度高、切削加工量少的特点， 力学性能优于用普通方法制造的铸件乜4 2 引。同时半固态金属充型平稳、无湍流、 无飞溅、成形时不易裹气，通过控制半固态合金的黏度和固相率，可以改变熔体 充型时的流动状态，抑制气泡的产生，使制件内在质量大大提高。 1 1 7 镍基高温合金 高温合金是指以铁、镍、钴为基，能在6 0 0 以上高温抗氧化或抗腐蚀，并在 一定应力作用下可长期工作的一类金属材料。因其合金化程度很高，在英美称之 为超合金( s u p e r a l l o y ) 。在先进的航空发动机中，高温合金材料的用量占总用量的 4 0 6 0 。因此，从某种意义上说，没有先进的高温合金就没有现代航空制造业。 在先进工业国家如美国，航空航天用高温合金占高温合金总用量的8 5 左右乜6 1 。 k 4 1 6 9 镍基高温合金，美国对应的牌号为i n 7 1 8 c ( 即i n 7 1 8 的铸造类型) 。i n 7 1 8 合金是f e n i 基高温合金，其突出特点是n b 和f e 含量较高乜 。i n 7 1 8 合金由国际镍 8 坝卜节何论文 公司( t h ei n t e r n a t i o n a ln i c k e lc o m p a i l y ) 于五十年代末期开始研制的沉淀硬化高温 合金。最初作为变形合金使用。到1 9 6 5 年，又以铸造合金形式用于航空发动机。 由于该合金具有良好的中温性能、焊接性能和低的价格，在世界高温合金用量中 占绝对重要的地位，1 9 8 8 年占全部高温合金总产量的3 5 瞳8 一引。不但在美国、法国、 加拿大诸多国家应用，就连比较封闭、构成自己合金体系的俄罗斯也向美国购买 了该合金的生产专利。 1 1 8 镍基高温合金中的组织 镍基高温合金的显微组织主要由面心立方结构的奥氏体( 基体) ，丫( 主要强 化相) 和碳化物所组成口引。 1 合金的基体( y ) y 是面心立方结构，以镍为主，能融入大量c o ，c r ，w ，m o 等合金元素而不 形成新相，绝大部分合金元素较镍的原子半径大，在镍中加入这些元素可增加固 溶体的点阵常数，使之发生畸变，从而强化合金，原子半径差别越大，畸变越明 显，强化效果也越高。 2 y 强化相 y 为高温合金的主要强化相，是c u 3 a u 型面心立方有序结构，a l 原子位于 角上，n i 原子位于面心，点阵常数与丫基体相近。正是由于丫与丫基体的结构 相似，所以y 相在时效析出时具有弥散均匀形核、共格、质点细而间距小、相界 面能低而稳定性高的特点。此外，丫相本身具有较高的强度，并且在一定范围内 随温度上升而提高，同时具有一定的塑性，这些基本特点使7 成为高温合金的最 主要的强化相。 在丫中c o 、m o 、c r 、f e 可置换n i ：a l ，t i 可被n b 、t a 、v 、m o 、w 、c r 、 f e 置换。但是，有人认为a l 、t i 、n b 、t a 优先进入丫7 相。c o 、f “c r 、m o 、 w 优先进入 r 基体。n b 大量进入丫形成n i 3 ( a l ，t i ，n b ) ，从而提高丫的溶解 温度，当n b 含量足够高( 4 ) 时，某些合金除形成丫外，还形成体心四方结构的 r ( n i 3 n b ) 。n b 的加入量虽然不多( 一般 r l ，所以c a ( r 1 ) c a ( r 2 ) ，这里c a ( r 1 ) ，c 伍( r 2 ) 分 别为半径为r l 、r 2 的球形表面外侧液相中的溶质原子的平衡浓度。于是在两球之 间便出现了浓度梯度，溶质原子将从小球附近向大球附近扩散。这种扩散一旦开 始，小球附近的溶质原子浓度将低于平衡浓度c a ( r 1 ) ，而大球附近溶质原子浓度 将高于平衡浓度c n ( r 2 ) 。于是两球与其表面外侧的液相都不再能保持平衡，小球中 溶质原子的化学势高于其附近液相中溶质原子的化学势，因而他们将在这个化学 势差的驱动下跑向液相，结果是小球逐渐溶解。相反，大球将吸收其附近液相中 的溶质原子而逐渐长大。 2 4 4 等温热处理对合金力学性能的影响 由于上述四组等温热处理工艺得到的合金半固态组织有部分相似，故研究力 学性能时只挑选晶界重熔由轻到重即液相由少到多的3 个典型试样及铸态试样做 压缩和硬度实验。合金不同半固态组织和铸态组织的应力应变曲线如图2 1 3 所示， 硬度如图2 1 4 所示。 从应力应变曲线和硬度图可以看出，半固态等温热处理对合金压缩强度的影 响与合金的组织形态有关，在半固态等温热处理过程中随着晶界重熔由轻到重， 合金的组织从粗大的长条状晶向球状晶转化，合金的压缩强度逐渐变大；且合金 在等温热处理工艺为等温1 3 2 0 、保温4 5 m i n 时合金的压缩强度大于合金铸态条件 下的压缩强度。k 4 1 6 9 高温合金半固态组织的硬度与铸态相比有所降低，但随着球 状晶数量的增加，合金的硬度呈逐步上升的趋势，但合金硬度变化不是特别明显。 由于合金在等温1 3 2 0 、保温4 5 m i n 时，合金的压缩强度和硬度大于在其他保温温 度和保温时间下的压缩强度和硬度，所以确定合金的最佳等温热处理工艺为：保 温温度为l3 2 0 右，保濉州川为4 5 m l n 危右。 削2l3k 4 16 9 台金铸态及、- 同志纠纵构应力麻变曲线 g2 13s t r c s ss i r a ur f k 4 l6 9a l l o ya n a s l ga n ds s o l l d l s o t h a lc r e a t t a 13 0 0 + 6 0 b 13 i o + 9 0 m mcl3 2 0 + 4 5 m mda s c a s t h 21 4 k 4 16 9 高湍合套铸：s 成* h 巷细纵的艘艘 】1 1 9 214h a r d n e s so f k 4 1 6 9a l i o ya n c rc a s t l n ga n ds 一s o l l dl s o 【h e r m a l r e a t a - 13 0 0 6 0 b - l3 1 0 9 0 c 13 2 0 十4 5 m l nd a s c a s i 25 本章小结 ( 1 ) 等温热处理可以将k 4 l6 9 台金铸态组纠中的枝晶组织转变为球形晶粒鲴 织。组! _ 【演变过程为：在引温过程l l 树枝品组织粗化，随着温度的升高，t + y 共晶 相丌始熔化，仞生奥氏体t 同在等温热处理中逐渐演变为球状。k 4 1 6 9 合会树枝晶 组织熔化分离、崮相品粒长大这两种机制井存f 整个半固态等温热处理保温过程 中 粼翥 顶 j 学f z 论文 ( 2 ) 等温热处理过程中，在相同的保温温度下，保温时间越长，晶粒粗化现象 越明显；在相同的保温时间下，保温温度越高，半固态重熔和初生奥氏体丫相的演 变过程越快；温度过高或保温时间过长，试样易发生变形且球形晶粒趋于长大。 ( 3 ) k 4 1 6 9 合金的最佳等温热处理工艺为保温温度1 3 2 0 左右，保温时间4 5 m i n 左右。 ( 4 ) 合金在最佳的等温处理工艺条件下的半固态组织的压缩强度高于合金铸 态组织的压缩强度，k 4 1 6 9 高温合金半固态组织的硬度与铸态相比有所降低。 3 l 第三章 k 4 16 9 合金非枝晶组织的热处理研究 q 态等潞热处理可以使枝品转变为球状f 吉，f 1 1 小能御底解决台金存在成分 偏析的m 题，分析k 4 1 6 9 台金等温热处理后羔| l 织的扫描电镜照片，发现其中出现h 状分布的组织f 图3l 中n 色发亮的纽织) ，分折能谱数扒发现( 割32 、表3l 】，这 此m 状分布的纽纵中含柯兀索的偏聚，如馄的眦聚，台金在等湍热处理m 随着 等漪温度的丁卜尚，保温叫问的延k ，t 柏内溶的过饱和，索( 如n b ，m o 等) 就会向 。i 界折，在品界上形成这些儿素的偏聚，使合食的力。7 性能j 铸各相比提高不 大。众所用知，热处理u j 以台理调整合金强化州”勺数最、形态、尺，j 及分市，进 一步发挥合金的性能潜力，可获得良好的综合力学性能9 = 白温合金的热处理包括同溶处理和时效处刖。【嗣溶处理的作付足将粗大的t 棚颗粒争部或部分同溶，并最大| 5 度的减少v + 7 共t 砧的含量；另作用足减少合 食元素的偏析。合余在固溶处理后一般要进时效处上甲，从过饱i | 】同溶体t i 】析出 更加细小的y7 相，以利提高合会的高湍力学陡能。热处珲届强化棚y 的分布 和尺寸足决定台余性能的l 要园素”。吲溶处珲和时效是高温合金晶常用的基本 热处理形式。悯溶处理和时效对改辫台金的细l _ i i 和忖! 能柏很再要的影u l ，经过固 溶处i i ，和叫效处理后台会的性能会有很大程度的提一衙。f 而对川济处理和时效处 理的原鲤作介绍。 h3l 经13 2 0 等温，保温4 5 啊半嘲卷组纸t l 描【u 镜照爿 f 1 93 1s e mp h o t o g r a p ho f 科1 6 9a l i o ya f 【e ri s 。t h e r m a lt r e a t m e n ta 【l3 2 0 + 4 5 m l n 硕i ：学位论文 图3 2 经1 3 2 0 等温，保温4 5 m i n 的半固态组织能谱图 f i g 3 2e n e r g ys p e c t r u mo fk 4 l6 9a l l o ya f t e ri s o t h e m a l t r e a t m e n ta tl32 0 + 4 5 m i n 表3 1 经1 3 2 0 等温，保温4 5 m i n 的半固态组织的各元素质量百分比 t a b l e 3 1m a s sp e r c