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摘 要： 摘要:利用光學顯微鏡、掃描電鏡和電子能譜儀研究了700℃超超臨界發電機組缸體用GH3625鎳基合金真空感應熔煉電極錠的鑄態組織及均勻化處理工藝，得出GH3625真空感應熔煉電極錠的均勻化熱處理工藝應為1200～1220℃保溫32h。 關鍵詞:GH3625鎳基合金;鑄態組織;均
摘要:利用光學顯微鏡、掃描電鏡和電子能譜儀研究了700℃超超臨界發電機組缸體用GH3625鎳基合金真空感應熔煉電極錠的鑄態組織及均勻化處理工藝，得出GH3625真空感應熔煉電極錠的均勻化熱處理工藝應為1200～1220℃保溫32h。
關鍵詞:GH3625鎳基合金;鑄態組織;均勻化處理工藝
燃煤發電是我國電力資源的重要組成部分，我國大約60%的電力都來自于火力發電。煤炭是一種不可再生資源，且火力發電對環境的污染也比較嚴重。當前隨著能源危機的日益嚴重和環保意識的不斷加強，迫切需要發展一種高效的、清潔的火力發電機組。歐洲、日本、美國在20世紀90年代末相繼提出了先進超超臨界火電機組研發計劃，并且將蒸汽參數提高到了700℃35MPa[1-2]。這些國家和地區都將鑄造GH3625高溫合金作為超超臨界火電機組缸體、閥體的候選材料進行研發，并且已經進行了比例件試制。國內在超超臨界火電機組大型鑄件用鎳基合金方面基礎薄弱、研究較少，本文利用真空感應熔煉得到的GH3625鎳基合金的電極錠，開展了鑄態組織和均勻化工藝研究，從而為大型化鎳基合金鑄件研制提供數據積累。
相關期刊推薦：《大型鑄鍛件》(雙月刊)創刊于1979年，由中國重型機械大型鑄鍛件行業協會、中國第二重型機械集團公司大型特鍛件研究所主辦。主要報道的專業范圍包括煉鋼、鍛壓、熱處理、金屬材料與熱處理、焊接、機加、測試技術、管理等，報道的重點是電站、冶金、礦山、石化、交通、航空航天等專業設備的鑄鍛件產品的研制。
1試驗材料及方法
本試驗研究的GH3625鎳基合金試樣取自于利用真空感應熔煉工藝得到的150kg電極錠，其長度為1200mm，直徑為145mm，電極錠冒口端的化學成分見表1。先從電極錠冒口端切下60mm厚的盤片，然后再切取15mm厚的盤片，從該盤片上半徑以內的位置切取若干15mm×15mm的塊狀試樣進行鑄態組織分析和均勻化工藝研究。機械打磨拋光后，用10%的磷酸水溶液電解侵蝕(電壓為30V)，利用光學顯微鏡、掃描電鏡觀察組織形貌，每個試樣采集5張照片，每張照片選取3個位置進行枝晶間距的測量，最后取平均值，利用能譜儀(EDS)分別在枝晶間和枝晶干處取點測量元素含量，每個試樣取兩個視野，每個視野中測10點取平均值，并測定了析出相。在高溫熱處理爐內對鑄態試樣進行均勻化熱處理，均勻化熱處理采用正交試驗法，溫度分別為1140℃、1160℃、1180℃、1200℃、1220℃，保溫時間分別為2h、4h、8h、16h、32h，出爐后水冷，隨后打磨拋光、電解腐蝕后進行金相觀察，以便分析不同區域和析出相的成分。
2結果與討論
2.1鑄態組織
圖1為試驗合金的鑄態組織。從金相顯微鏡和掃描電鏡下都觀察到了非常明顯的樹枝晶，照片中淺色區域為枝晶間，深色區域為枝晶干，主枝晶干上長出了大量的二次枝晶臂，發達的枝晶組織說明合金在冷卻凝固時發生了成分偏析。利用能譜儀測量了枝晶間和枝晶干的成分，并計算了不同元素在枝晶間和枝晶干的比值，即偏析系數，然后通過多組數據求出平均偏析系數K，見表2，Nb、Mo、Ti的偏析系數依次為2.01、1.26、1.33，表現為明顯的正偏析，均偏析于枝晶間，偏析程度Nb>Ti>Mo。由于Nb元素熔點高、密度大，在合金中具有最高的質量分數，因此偏析程度相對最大。圖2為析出相形貌及EDS分析結果，合金鑄態組織中只有沿晶界析出的塊狀碳化物，未觀察到其它晶內析出相。參照GH3625合金凝固時析出相的熱力學計算結果，結合EDS結果可知，該析出相主要是NbC，分布于晶界上。CNb比值決定了GH3625合金的結晶方式和組織結構。CNb比值較高時，凝固組織為γ基體和NbC;CNb比值適中時，先形成γ基體和NbC隨后又析出laves相;CNb比值較低時，只形成γ基體和laves相。另外，結晶方式還與化學成分和結晶速率有關，Si元素含量高，可以偏析于枝晶間，促進laves相的形成[3]。本試驗所用GH3625合金中CNb比值及較低的Si含量都導致其凝固過程中只形成γ基體和NbC。
2.2均勻化處理工藝研究
合金在冷卻凝固過程中的溶質再分配是產生偏析的根本原因，而均勻化熱處理的目的是為了盡可能的減少元素偏析，使其從高濃度區向低濃度區擴散，最后達到均勻、一致的狀態。
眾所周知，在均勻化處理中，溫度是最主要的影響因素。擴散系數隨溫度的升高而增大，而殘余偏析指數又隨擴散系數增大而減小，所以提高均勻化溫度可以有效地提高元素在基體中的擴散速度，從而加速均勻化。但溫度并不是越高越好，一方面會造成能源的浪費，另一方面過高的溫度可能會導致晶界發生初熔，因此均勻化溫度必須選擇在初熔溫度以下。均勻化過程中，另一個影響元素擴散的參數是保溫時間。在相同的溫度下，殘余偏析指數隨保溫時間的延長而逐漸趨于0[5]。理想情況下，經合適的均勻化處理后，殘余偏析指數會變為0，即合金中的所有元素都處于完全均勻分布的狀態，區域之間沒有濃度差異，但實際上這種情況幾乎不存在。工業上給出的依據是δ降至0.2時就算擴散均勻[6]，并且過長時間的保溫也會增加生產成本。
經不同均勻化熱處理后的顯微組織見圖3，光學顯微鏡下的顯微組織見圖4。對比經不同均勻化工藝處理后的枝晶形貌可以看出:相同溫度下隨著時間的延長，枝晶不斷消除，偏析明顯減輕;在8h、16h、32h的保溫時間下，隨著溫度的升高，枝晶也不斷消除，偏析明顯減輕。相同溫度下隨著時間的延長，枝晶形貌逐漸變得模糊，枝晶得到了明顯的消除;在16h、32h的保溫時間下，隨著溫度的升高，枝晶也不斷消除，偏析明顯減輕。從圖5元素殘余偏析指數來看，隨著溫度的升高和時間的延長，易偏析元素Nb、Mo、Ti的殘余偏析指數都逐漸減小，即這些元素在枝晶間和枝晶干的分布越來越均勻，尤其是在較長的保溫時間下，例如32h后，隨著溫度升高至1220℃，這三種元素殘余偏析指數明顯趨于0.2或以下。同一溫度下，隨保溫時間的延長，殘余偏析指數是逐漸減小的，剛開始隨時間的延長而急劇減小;一定長的時間后，隨著時間的延長，減小的趨勢逐漸變慢。這是因為均勻化初期比較接近于原始鑄態組織，元素偏析比較嚴重，濃度梯度較大，擴散動力大，擴散相對比較容易，偏析消除得也比較快，而到了均勻化后期，濃度梯度逐漸變小，擴散動力減小，原子擴散變得越來越慢，偏析減小的趨勢也越來越慢。從枝晶形貌、殘余偏析指數變化情況來看，1200～1220℃保溫32h的均勻化處理工藝為最佳，而對于大錠型或是大尺寸試制件，需要在該保溫時間的基礎上加上熱透所需的時間。
3結論
(1)GH3625真空感應熔煉電極錠的鑄態組織中存在明顯的偏析，其中Mo、Nb、Ti元素在枝晶間為正偏析，偏析程度為Nb>Ti>Mo，較高的CNb比值及較低的Si含量都導致其凝固過程中主要析出相是塊狀NbC，其均勻地分布于枝晶間。
(2)均勻化熱處理后，通過枝晶形貌、殘余偏析指數的變化來看，1200～1220℃保溫32h可以作為GH3625小錠型合金的均勻化處理工藝，而對于大錠型或是大尺寸試制件，需要在該保溫時間的基礎上加上熱透所需的時間。——論文作者：寇金鳳聶義宏白亞冠朱琳