K402（K2）铸造高温合金

介绍

K403合金是一种基于Ni-Cr的铸造高温合金：与Co，W，Mo，Al和Ti合金化[1]。它具有优良的铸造性，可以使用不同的铸造技术进行铸造，即在真空下熔模铸造。因此，它已被广泛应用于各个领域，包括工作温度低于1000°C的燃气轮机导叶、工作温度低于900°C的涡轮转子叶片和等温锻造成型模具，以使钛合金等难以变形的材料变形[1]，[2]。在这些条件下，K403合金暴露在高温下并承受不同的应变状态。更好地了解高温下的变形和断裂对于预测寿命从而确保安全性非常重要。

就热暴露而言，人们普遍认为可能存在显着的结构变化，包括强化相（γ'沉淀物）[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、碳化物的沉淀和转变[15]、[16]以及拓扑紧密堆积（TCP）相[16]、[17]的沉淀。这种微观结构的演变肯定会影响变形性能。例如，据报道，γ′沉淀物的粗化是导致CMSX-10单晶镍基高温合金热暴露后蠕变性能下降的原因[3]，IN738C[4]，[5]，[6]，[7]中长期热暴露期间硬度和蠕变寿命的降低，GH783合金在650 °C时的强度大幅降低和应力断裂寿命急剧缩短[8]， 定向凝固的镍基高温合金DZ951在900 °C下屈服应力的降低[9]，[10]。此外，碳化物和TCP相的沉淀肯定会耗尽基体中的这些元素，从而降低其固体强化效果。更重要的是，碳化物和TCP相的沉淀通常与空隙的形成有关，这些空隙可能成为断裂的起始部位。因此，碳化物和TCP相的沉淀会导致机械性能的恶化，从而降低其使用寿命和可靠性[16]，[17]。例如，Ni-Co-Cr-Si合金（HAYNES HR 160合金）在热暴露或时效过程中的晶间断裂归因于晶界处MC碳化物和Ni16Ti6Si7-G相的形成[11]。镍基高温合金EI698 VD的抗蠕变性显著降低归因于体积γ'变化和碳化物的额外沉淀[13]。然而，这里应该注意的是，温度（热暴露）只是影响微观结构演变的最重要因素之一，从而影响机械性能。在讨论高温下的变形和断裂行为时，至少应考虑另外两个因素（应变率和应变状态）。236

据报道，流动应力对成型温度和应变速率很敏感[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]。在镍基高温合金GTD-111[18]中，在25–900°C的温度范围内，恒定应变率为10，通过拉伸试验研究了拉伸行为的温度依赖性−4s−1.随着温度的升高，拉伸性能变化异常。屈服强度在温度高达650 °C时略有下降，然后在650 °C至750 °C之间增加。 在750°C以上，屈服强度迅速下降。抗拉强度表现出类似的行为，除了其最大值出现在650 °C时。 伸长率随温度波动更大。在单晶镍基高温合金[19]中，研究了各种应变速率对拉伸行为的影响。屈服强度随应变速率的增加而增加，而应力-应变曲线的构型与应变速率无关。在镍基合金（Inconel 617）[20]中，在空气中以不同的应变速率在25°C、600°C、800°C和950°C下进行拉伸试验。在商用镍基高温合金（Ni-19Cr-5Nb-3Mo-1Ti-0.6Al-0.03C-0.03Co. wt.%）中[21]发现，流动应力随着成型温度的升高或应变速率的降低而显著降低。在相对较低的变形温度（920 °C、950 °C和980 °C）动曲线由三个不同的阶段组成，包括加工硬化、稳定应力和流动软化阶段。然而，在相对较高的变形温度（1010 °C和1040 °C）动曲线显示出典型的动态再结晶特性[22]。还发现δ相的形成在热变形开始时引起明显的加工硬化，然后通过进一步应变促进动态再结晶来加速流动软化[23]。d相（Ni3Nb）和碳化物被认为是形成微孔的原因[22]。

在变形机理方面，据报道，根据温度和应变率，Ni基合金Haynes230会出现两种不同的变形机理[24]。在中等温度和较高应变速率下，锯齿型锯齿与动态应变老化有关，而正弦形状的振荡与高于800 °C的温度和较慢的应变速率下的动态再结晶有关。在M951合金[25]和定向凝固的镍基高温合金DZ951合金[26]中，据报道，在低温下，主要的变形机理是由位错对（a/2（110）位错）和滑移带剪切。据报道，在高温下，变形主要由γˊ旁路驱动。在中等温度下，它显示出从γˊ剪切到旁路的转变。在常规铸造（CC）和定向凝固（DS）高温合金CM247LC[27]中，CC和DS合金的抗拉强度取决于时效和固溶处理条件。耦合位错剪切γ′是低温下的主要变形过程，细小次生γ′的切割在CC试样变形的早期阶段起着重要作用。然而，对K403合金变形和断裂的研究仍然非常有限[1]，[2]。

本研究旨在阐明变形温度、应变速率和应力状态对K403镍基高温合金变形和断裂行为的影响。使用Gleeble⁃1500热模拟机进行热压缩和拉伸模拟试验，测量了850 °C至1000 °C温度范围和0.01 s应变速率范围内的压缩和拉伸性能−1–10 秒−1.利用扫描电子显微镜和透射电子显微镜研究了微观结构演化和断裂面，以阐明其变形和断裂机理。此外，分别从应变和应力两个方面建立了K403合金的断裂机理和高温断裂模型。

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