Inconel 706镍基合金宏观偏析“黑斑”的形成特征及组织行为
Inconel706合金是在Inconel718合金基础上，为了改善机加工性能而发展起来的一种沉淀强化型铁镍基高温合金，与Inconel718合金相比，Inconel706合金不含Mo，降低了Ni，Cr，Nb含量，增加了Ti，Fe含量，由此该合金的切削性能得到改善，并超过了Inconel718合金与其它镍基和铁基高温合金。与Inconel718合金相似，该合金也是通过具有A3B型结构共格弥散析出的γ'和γ''相强化奥氏体基体，合金成分和热处理制度对强化相析出方式有较大的影响。
黑斑（Freckle）是高温合金中普遍出现的一种宏观偏析。由于黑斑具有较大的尺寸（直径大于1mm），难以在以后的热加工工艺中加以消除，所以有黑斑的部件必须报废，严重限制了高温合金锭型的扩大和发展。一般认为，黑斑在很大程度上取决于合金成分和合金化元素的种类及冶炼工艺。黑斑及其周围基体成分和组织通常存在差别，如Inconel718合金黑斑中富Nb和Ti等，从而含有过量的δ和Laves相[7]。当然，对黑斑的界定，目前在理论研究和应用研究方面还需进一步的工作，但对高温合金在黑斑产生后详细的组织特征进行分析对回答以上问题有很大的帮助。本研究通过对Inconel706合金微观组织及黑斑特征的对比分析，给出Inconel706合金黑斑的组织特征行为。
1材料及方法
对于实验用Inconel706合金，经三联工艺（VIM+ESR+VAR）冶炼，在最后的VAR冶炼过程中因出现电流的暂短中断而造成钢锭在随后的分析中发现黑斑的存在。为了对该合金黑斑产生后组织特点有较全面的了解，对存在黑斑的Inconel706合金黑斑区的组织特征进行了仔细的分析，并对比分析了黑斑缺陷区和合金正常区的相变行为和分布特征，在此基础上，利用热力学平衡相计算方法，结合相应的镍基热力学数据库对合金正常区和黑斑区的相分布规律进行了计算分析，并且对合金在凝固过程中合金元素在枝晶间的液态平衡分配行为进行了计算分析。由此，从实验和理论计算两方面对Inconel706合金黑斑形成规律进行系统研究，为Inconel706合金的黑斑控制与预测奠定实验和理论基础。
合金经标准热处理：980℃，1hAC+730℃，8h以55℃/h炉冷至620℃，8hAC，合金的化学成分列于表1。
2结果与讨论
标准热处理采用固溶加双时效处理，合金经标准热处理后正常区的基本组织为分离析出的弥散强化相γ''和γ'，少量的晶界碳化物和长条状的η和δ相。图1为经标准热处理后的TEM照片。弥散析出的γ''相大约为20nm左右，由于γ'很小而难以分辨，但从衍射分析可以认为，此时γ''和γ'均已析出。有些晶界上有分离的链状碳化物存在，而经标准热处理后长板条状的η(δ)相含量较少(η和δ相从形貌上难以区分)。
对合金中的黑斑区进行仔细观察，其黑斑的宏观形貌如图2所示。试样上有较多的黑斑斑点，斑点分布较为密集。在金相显微镜下进行黑斑区和正常区的对比观察，结果如图3所示。无论是在横剖面上还是纵剖面上，黑斑区的枝晶都比正常区的细小，枝晶间析出相的大小和数量，以及灰区的深浅和大小都远远地大于正常区，尤其是纵剖面上，几乎完全被各种析出相所覆盖。纵剖面的枝晶间偏析程度要大于横剖面，是因为本合金的凝固主要是从下向上凝固，即一次枝晶是从下向上生长，纵剖面截得的枝晶大多是二次或更高次的枝晶，枝晶臂更细小，枝晶间的空间更大，所以偏析程度就大。在高倍数下观察可以更清楚地看到两个区域中枝晶间析出相的差别。
经扫描电镜观察认为合金正常区和黑斑区枝晶间各析出相的形貌基本一样，但正常区中各相明显比黑斑区细小。对两个区域进行Nb的背散射分析，可以发现枝晶间块状析出相中富含Nb，而且黑斑区的含量更多。对黑斑区的各种析出相进行SEM观察，结果如图4所示。析出相根据形貌可以分为3种：块状、片状和颗粒状。块状和片状析出相大都分布在枝晶间，而颗粒状析出相则大都分布在枝晶内部，也有少量弥散分布在枝晶间片状相之间。黑斑区中的颗粒比正常区颗粒大而多，而且有不少小颗粒已经聚集或长大成大颗粒，颗粒的大小还随着离枝晶边缘距离的减小而增大。正常区无论是在枝晶间，还是在枝晶内部，片状相的数量和大小都明显不如黑斑区。黑斑区的一些大块状相本身就已经开裂，所以黑斑的存在对合金力学性能的影响就不言而喻了。
仔细分析可以得到，正常区的颗粒尺寸约为0.06µm~0.09µm，块状相约为3µm~5µm；黑斑区的颗粒尺寸约为0.3µm~0.5µm，块状相平均约为20µm~40µm，甚至还有达到80µm的大块状相。大量电子衍射花样和EDS分析结果说明颗粒状相主要是MC型碳化物，其次是η；片状相和块状相主要是η，Laves和MC相。正常区和黑斑区析出相的EDS分析和结果如表2所示。
试验结果表明，Inconel706合金中的主要析出相是具有面心立方点阵结构（a=0.418nm~0.468nm）的MC型碳化物；具有六方点阵结构（a=0.511nm，c=0.845nm）化学式接近A3B的η相；具有六方点阵结构（MgZn2型，a=0.473nm，c=0.774nm）化学式接近A2B的Laves相。以上化学式中的A一般代表Ni，Fe，Cr等元素，B一般代表Nb，Ti，Al等元素。黑斑区极度富集各种大尺寸、甚至超大尺寸析出相。
对黑斑区进行面扫描，获得黑斑区的平均成分如表3所示。可见在黑斑区富集Nb，Ti和Al，这些元素向枝晶间严重偏聚，导致黑斑区形成大量大尺寸的Laves相和碳化物等，几乎完全覆盖了黑斑区。这些相在高温下的析出，阻碍了枝晶的生长，因此黑斑区的枝晶比正常区细小。但是η，MC和Laves相的析出并没有消耗多少Cr元素，因此在黑斑区枝晶间的大块状相和片状相附近不存在贫Cr区，所以黑斑区的易腐蚀性不是贫铬效应的结果，而应归因于大量析出相的存在和枝晶间空间的增多。
为了更好地分析Inconel706合金中黑斑区的相变规律，采用Thermo-Calc相平衡计算和热力学评估体系与相应的Ni基数据库进行热力学模拟计算，通过利用系统中各相的热力学特征函数严格的热力学关系，建立热力学模型，将相图和各种热力学数据联系起来，从而计算出系统中所有的热力学信息，得到可能析出的平衡相，揭示各相的析出规律。图5为采用表3中的合金成分和对应黑斑区的平均成分进行的热力学平衡相计算结果。对比正常区和黑斑区的热力学平衡相计算结果，两者均存在η，δ，一次碳化物，γ′相和Laves相，但数量却有明显不同，主要是黑斑区Laves相明显增加，对应的η和δ相的含量也有相应的增加，这与实验观察的结果是一致的。说明针对Inconel706合金的成分特点其黑斑区的析出相特征为大量的Laves相和η，δ相的富集。
为了更进一步说明Inconel706合金黑斑区相变特征，利用热力学计算手段对合金在凝固过程中液态状态元素热力学平衡分配行为进行计算分析。采用表1中的合金成分对Inconel706合金进行热力学计算，计算结果给出该合金初熔点和终熔点分别为1220℃和1390℃，其间的温度差范围为170℃。在初熔点和终熔点之间对液相中合金元素的热力学平衡分配规律进行计算（见图6），从图6中可以明显看出，随着温度的降低，液相中Nb发生显著的偏聚分配，从平均的3%上升到凝固完成时的12.3%。Ti和Al随温度的降低也稍有增加，但偏聚分配程度大大弱于Nb。随温度的下降，C先是产生了一定程度的偏聚，在1290℃后又呈下降趋势，说明在该温度范围一次碳化物从液相中直接析出而导致C含量的下降。
从液态时元素热力学平衡分配的计算结果可以看出，Nb在合金的凝固过程中发生极为明显的液态偏聚分配现象，由于实际的凝固过程是一个非平衡态的过程，冷却速度对这种液态中元素的最终分配遗传到固态有很大的影响，也就是这种影响可能是导致在实际的凝固过程中偏聚区Laves相大量富集析出的主要原因，而Ti和Al的枝晶间液态偏聚，尤其是Ti的偏聚将导致偏聚区η和δ相的增加。实际上，黑斑是一种宏观通道偏析，凝固过程中两相区枝晶生长时部分溶质元素(如Nb，Ti，Al等)排入枝晶间残余熔体，溶质元素富集的熔体与正常熔体之间由于密度的差异，产生流动。当熔化速度快、熔池较深、凝固速度相对较低时，富集溶质元素的熔体流动呈一通道，在凝固往前推进时，富溶质元素的熔体在凝固后形成黑斑。因此，对于Inconel706合金当Nb和Ti的偏聚富集到一定程度将导致合金黑斑的出现，同时也造成了Inconel706合金中黑斑区复杂的相变析出特征。
3结论
1)合金正常区经标准热处理后组织为分离析出弥散细小的γ′′和γ′相，并有少量的晶界碳化物和η相存在。
2)合金宏观偏析黑斑区的组织特征主要是由富Nb的Laves相和富Ti的η，δ相的严重偏聚粗化形成，热力学相计算方法也证实了黑斑偏聚区Laves，η和δ相比正常区有明显的增加。
3)对Inconel706合金枝晶间液态的元素热力学平衡分配进行热力学计算表明，Nb发生了极为明显的偏聚分配，Ti也有一定程度的偏聚，Al次之，这些元素不同程度的液态偏聚行为是造成合金黑斑区相富集的主要原因。
