625合金凝固偏析的理论分析

625合金凝固偏析的理论分析
孙锋;梅林波;刘松锋;于文龙
【摘要】利用材料性能模拟软件 JMatPro 7．0与相应的 Ni 基高温合金数据库，对 INCONEL 625合金的凝固偏析行为进行了分析，以帮助制定均匀化退火工艺及合金成分筛选。

结果表明：625合金存在严重的 Cr 、Fe 、Mo 、Nb 偏析。

其中 Nb 是控制材料均匀化行为的最主要元素，Mo 次之。

通过加 Ti 、减 Si 可抑制Mo 的偏析；加 C 减少 Fe 、Cr 则可有效抑制 Nb 偏析。

为使退火时间控制在合理范围内，有必要采取1200℃高温退火。

%The solidification behavior of alloy 625 was studied using the materials property simulation software package JMatPro 7 .0 and the corresponding Ni‐base superalloy database .The results indicate that there exists serious segregation of Cr ,Fe ,Mo and
Nb ,among which ,the homogenization process is mostly affected by
Nb ,and Mo takes second place .The segregation of Mo could be restrained by adding Ti and /or reducing Si ,while the segregation of Nb could be suppressed by adding C and /or reducing Fe ,Cr . High temperature such as 1 200 ℃ is required for an acceptable homogenization time .
【期刊名称】《热力透平》
【年(卷),期】2016(045)001
【总页数】5页(P46-50)
【关键词】高温合金;625 合金;偏析;均匀化;汽轮机
【作者】孙锋;梅林波;刘松锋;于文龙
【作者单位】上海交通大学材料科学与工程学院，上海 200240;上海电气电站设
备有限公司汽轮机厂，上海 200240;上海电气电站设备有限公司汽轮机厂，上海200240;上海电气电站设备有限公司汽轮机厂，上海 200240
【正文语种】中文
【中图分类】TK265
625合金是一种典型的以Mo、Nb为主要强化元素的固溶强化型高温合金，具有优秀的抗腐蚀能力、冷热加工能力以及焊接性能，被广泛用于航空航天、石油化工、舰船及海洋工程等多个领域。

近年来，随着700 ℃等级超超临界汽轮机机组概念
的提出及研发，该合金也被考虑用于汽轮机转子等大型铸锻部件。

对625合金的
凝固过程及偏析行为已有系列研究[1-2]，但主要针对堆焊等小尺寸场合，其规律
是否完全适用于大型铸件还有待研究。

均匀化处理对合金偏析的改善效果也未有具体数据。

此外，也缺少合金元素对偏析的影响的系统、定量的研究，从而限制了我们选择及调整材料成分的能力。

针对上述问题，本文用材料性能模拟软件JMatPro7.0与相应的Ni基高温合金数
据库，对625合金的凝固偏析行为进行了分析，并对均匀化退火工艺选择以及合
金化对偏析的影响进行了探讨。

1.1 JMatPro简介
JMatPro是Thermotech公司开发的材料性能模拟软件，可以进行相平衡分布、
物理及热物理性能、TTT/CCT曲线、力学性能等多方面的运算，覆盖钢、铸铁、
高温合金、钛合金、铝合金等多类材料体系。

该软件的核心是基于CALPHAD方
法的热力学计算模块，通过数种经过验证的数学模型将体系自由能与合金成分、温
度等条件相联系，并采用Gibbs自由能最小化判据，从而确定对应成分、温度下
的生成相及其组分[3-4]。

模型中使用的系数在配套的数据库中给出。

每一种可能
形成的相都有一套对应的通过实验或第一性原理计算等方法获得的数据。

在此基础上扩展的凝固模块则可采用Scheil-Gulliver模型进行非平衡相预测，对Ni基高温合金等特定材料类型还考虑了凝固时及凝固后发生的固态相变。

1.2 合金成分
625合金的成分范围(容许)及计算用的具体合金成分(基准)见表1。

其中杂质元素P、S未给出，计算中可将其忽略以简化问题。

计算用成分为625合金的名义成分，除 Co为上限外，其余多取中值。

为考虑合金化的影响，本文将系统改变某一元素的含量，并用Ni作为补偿。

所选成分大体在许可范围内，部分有超出，具体见计算结果。

2.1 平衡与凝固态相析出
图1是通过计算得出的基准成分的625合金的相百分比在600～1 400 ℃范围内
随温度变化的关系。

可见液相凝固时，只有和少量的MC相形成。

其它的相如
M6C、和等，则均在固相析出。

如图所示，该合金在1 248.7 ℃时完全凝固。

图2是JMatPro根据Scheil-Gulliver模型模拟的凝固过程中的相析出结果，取液相分数0.02 wt%作为截断值。

为显示得更为清晰，图中略去了相。

可见完全凝固点(初熔点)降为1 120 ℃。

而且在完全凝固前，除相和MC析出外，还有、以及
图1中不存在的Laves相析出。

这说明凝固时的偏析显著改变了合金的相析出行为。

Laves相的组成为A2B，其中A=Ni、Cr、Fe，B=Nb、Mo、Si、Ti。

根据JMatPro计算结果，B中Nb和Mo为主要元素。

因此Laves相的析出减少了基
体中的Mo和Nb，直接削弱其强化效果。

另外，因初熔点大大降低，MC相有充分时间长大，容易出现粗大的液析MC。

综合来看，凝固组织的强化效果及组织稳定性均不理想，进行高温退火不仅可消除偏析，而且可消除有害相。

对于本文计算的合金成分范围，初熔温度对成分变化不敏感，基本在1 120 ℃左右。

若取液相分数0.01 wt%为截断值，则约为1 115 ℃。

JMatPro的计算结果相对偏低。

这是因为其计算假定的是固相无扩散、液相扩散均匀的情况，因此可看作最小值。

若以+Laves相类共晶析出温度为基准，以往报道的实验结果在1 150 ℃左右[5]75，计算结果则为1 130 ℃，有20 ℃的偏差。

即便如此，建议的1 200 ℃固溶温度仍在初熔点以上，然而以往并未有出现过烧现象的报道。

这可能是因为实际升温比较缓慢，在此过程中部分低熔点相扩散溶解，提高了其余部分的熔点。

对于大型铸件来说，其成分不均匀有可能导致更低的初熔点。

Cieslak[5]75曾报道
一种超低C的625合金变体的+Laves温度为1 126 ℃。

因此采取1 200 ℃固溶
退火仍需谨慎，应先升至1 100 ℃，保温一段时间后再缓慢升至目标温度，以避
免引起过烧。

2.2 基体中的成分分布
图3给出了相随凝固进行的成分变化(Ni略去)，从中可看出不同凝固阶段的成分
有明显差异，亦即存在严重偏析。

其中以Cr、Fe、Mo、Nb最为严重。

需要注意的是，与其他元素不同，Cr在0%～85%固相分数内近似保持不变。

另外，多数
元素的曲线都呈非光滑变化，其转折点和凝固过程中新相析出对应，如析出相使后续生成的相中Cr含量降低，M6C使Mo含量降低。

对应各元素的溶质分配系数k见表2(分配系数的定义为最早析出的相中的元素含
量与合金名义成分之比)。

k>1为正偏析，表示元素倾向于富集在枝晶干；k<1为负偏析，倾向于富集在枝晶间。

k值和1偏离越大则偏析倾向越明显。

正偏析元素由强至弱依次为Fe、Al、Co、Ni、Cr。

负偏析元素由强至弱为C、Nb、Ti、Mn、Si、Mo。

Cr的分配指数为1.03，接近于1，因此具有最低的偏析倾向。

但因其名义成分较高，溶质富集会导致最终凝固组织仍可能存在严重偏析，如图3所示。

实际铸造
组织中是否出现偏析则取决于铸件尺寸及冷却速度。

理论上二次枝晶臂间距越大越有可能出现偏析。

Cieslak[5]73以及Højerslev[6]等人均曾报道未观察到Cr的明
显偏析，其原因可能是使用了微型样品，其二次枝晶臂间距较小。

在负偏析元素中，C尽管具有最强的偏析倾向，但因其扩散速度快，且成分分布取决于Nb、Mo、Cr等强碳化物形成元素，我们对其不多作讨论。

2.3 退火温度对偏析的影响
均匀化处理可消除微观偏析，但其效果主要取决于合金元素的扩散能力及成分梯度。

JMatPro模拟枝晶间偏析的结果如图4所示。

其纵坐标为元素浓度，横坐标为离
开枝晶干中心(原点)的距离。

初始计算设定二次枝晶干间距为100 m。

可见Mo、Nb从凝固的枝晶中排出，随枝晶生长逐渐在外缘及枝晶间富集。

横坐标末端出现的成分平台对应冻结的熔体，说明出现了类共晶组织，可能是加Laves相。

图中
还给出了模拟均匀化处理不同时间的成分分布。

若设定成分起伏低于0.1at%为完
全消除[7]，则可计算出对应的扩散退火所需时间。

对几个主要元素在1 100 ℃和
1 200 ℃下的计算结果见表3。

从中可以看出均匀化最慢的是Nb，其次是Mo，
再次是Cr和Fe。

最快的是Si。

对于形成元素Al和Ti，后者用时为前者的3倍左右。

另外，提高温度可大大缩短退火时间，1 100 ℃下Mo需用时4 900 min，Nb需7 250 min；1 200 ℃下则分别为880 min和1 403 min。

2.4 合金成分对分配系数的影响
对一系列成分的合金进行凝固性质的计算，可以得到分配系数对元素含量的变化趋势图。

图5给出了几个典型的示例，分别是a) Si、b) Ti、c) Fe和d) C。

由图可见，在分配系数和元素含量间存在着线性关系。

拟合直线的斜率大小反映了合金元素对Mo、Nb溶质分配系数的作用强弱，偏离零值(水平线)越远则作用越强。

负
的斜率说明随合金元素含量上升，分配系数减小，加重Mo、Nb偏析；正值则分配系数增加，偏析减轻。

为此我们可以将其定义为偏析影响因子。

为方便比较，表
4列出了全部元素的影响因子。

可以看出，加重Mo偏析的元素按由强至弱的次序有Si≫C>Co>Fe>Al≫Cr，减轻的元素有Ti≫Nb>Mn。

相应加剧Nb偏析有
Fe>Cr>Mn≫Ti>Al>Si>Co，减轻为C≫Mo。

其中C的影响因子极大，这可能是
因为其和Nb之间存在强亲和力。

C的作用可通过计算实例说明，将基体合金的C 含量降为0.3，则1 200 ℃完全消除Nb偏析的时间为1 592 min，比0.5C合金
的1 403 min(见表4)多出约3 h。

因此提高C含量可明显改善偏析，但是过高则
不可避免有粗大的液析NbC。

综上所述，为减轻Mo、Nb偏析，应尽量降低Si、Mn，而Fe、Cr不宜过高，C则可取中值。

625合金的初熔温度为1 115～1 120 ℃。

凝固时Mo、Nb、Fe以及Cr会出现
严重偏析，并析出平衡态不存在的Laves相。

对于均匀化退火，Nb是最主要的速率控制元素，Mo次之。

采取1 200 ℃高温退火可大大缩短完全消除偏析的时间。

为减轻Mo、Nb偏析，合金成分中Si、Mn含量应尽量降低，Fe、Cr不宜过高，C取中值。

【相关文献】
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