高合金化GH4065镍基变形高温合金点状偏析研究

        涡轮盘是航空发动机具有关键特性的核心部件，其冶金、制造质量和性能水平，对于发动机和飞机的可靠性、安全寿命和性能的提高具有决定性的作用[1]。随着先进涡扇航空发动机推重比的不断提升，涡轮盘工作温度超过700 ℃[2~5]，为此，我国近年开始研发 750 ℃级镍基变形高温合金涡轮盘材料 GH4065合金，其性能与第二代粉末盘René 88DT相当，兼具高性能、低成本和可批量化工业生产的优势，被视为我国未来重点发展的主干变形涡轮盘材料。

        点状偏析(freckle，以下简称为点偏)是一种通道偏析，是枝晶间熔体在金属凝固过程中由溶质元素偏析造成密度差异而引起局部对流而形成的冶金缺陷[8~10]，在合金钢、高温合金、钛合金等多种合金体系中均存在。由于点偏使材料的连续性受到破坏，会对材料的性能产生不利影响，因而是变形高温合金涡轮盘必须控制和避免的冶金缺陷[11]。国内外对GH4169、GH2706、GH4738 (Waspaloy)等Fe-Ni基或镍基变形盘材料的点偏进行了相关研究，其形成原因已基本确定[8,12~14]，由于糊状区枝晶偏析引起密度变化驱动的熔体对流造成点偏形成的机制已被学者们广泛接受，并认为合金化程度提高或锭型扩大是增大点偏缺陷形成倾向的主要原因[14~19]。但是不同合金中点偏的成分组成、组织特征与合金成分密切相关。GH4169与GH2706合金中较高含量的Nb元素是诱发该类合金点偏(又称黑斑)形成的主要因素。Avyle[15]认为GH4169合金中黑斑的形成机制是富Nb热溶质密度增大，在重力作用下沿糊状区向下流动，高温熔体导致枝晶重熔进而形成通道偏析。 GH4738为较低γ′ 相含量(23%，质量分数)的镍基合金，较高含量的Ti元素是诱发该类合金点偏形成的主要因素。GH4065合金成分与René 88DT合金化程度相当，既含有高含量的固溶元素W、Mo，又含有较高含量的沉淀强化元素Ti、Al、Nb，强化相γ′ 含量达到42% (质量分数)，其点偏具有与上述合金不同的组织特征，目前相关研究尚无文献报道。因此开展GH4065 合金点偏的研究，对于工业化生产中该类缺陷的识别、控制和预测具有重要意义。

        本工作以我国GH4065合金生产中出现的典型点偏缺陷为研究对象，利用电子探针(EPMA)定量分析点偏的成分组成，结合热力学计算、扫描电镜 (SEM)、透射电镜(TEM)等手段分析点偏的相组成，采用电子背散射衍射(EBSD)分析点偏的晶粒组织，探讨GH4065 合金中点偏的形成机制，为控制该类缺陷的产生提供方法和依据。

GH4065合金点偏的形貌与元素偏析

        GH4065 合金典型点偏缺陷形貌如图 1 所示。低倍观察表明，点偏基本分布在棒材1/2半径附近，横截面上均为孤立点状、直径 1~2 mm。由图 1a 可见，点偏为直径约1.2 mm的灰白色斑点，相对基体衬度差异不明显，肉眼较难识别，与高 Nb 含量的GH4169、GH2706合金中常出现的明显黑斑通道偏析形貌有显著差异[9,10]，类似于高Ti的GH4738合金中的点偏[12]。点偏的长度为 10~20 mm (图 1c)。从点偏的横向和纵向形貌(图1b和c)可见，正常组织区域(matrix)为平均晶粒尺寸77 μm的等轴晶组织，点偏中部为浅色内核(core)、外缘有一圈不规则的暗色影响区(affect zone)，合金点偏具有类似于铅笔三维形貌特征。通常，如果截面大小不变，镦拔不会对点偏大小产生影响，但截面变化会导致点偏形状改变。考虑到棒材的热加工履历，将点偏大小追溯到直径508 mm时的铸锭，原始点偏长度约为3.5~7.0 mm，直径约为1.7~3.4 mm。

        表1所示为利用EPMA定量分析测定的点偏与正常组织区域的成分。由表1可知，GH4065合金点偏中Ti、Nb、B、C等为正偏聚元素，W等为负偏聚元素。图 2 为 GH4065 合金点偏典型的背散射电子 (BSE)像和EPMA元素线扫描结果，可见点偏区域明显富Ti、Nb而贫W，且内核中有较多高衬度的白色块状相。