经钇处理的K4169镍基超级合金中的夹杂物形成与聚集现象及其对应力集中的影响

《Journal of Rare Earths》：Inclusion formation and aggregation in yttrium-treated K4169 Ni-based superalloy and their effect on stress concentration

　　Y对K4169镍基超合金夹杂物形成及聚集行为的影响研究表明，通过真空非消耗电弧熔炼添加Y后，夹杂物类型从Al?O?+Ti?O?逐步演变为YAlO?并最终形成Y?O?，其热力学特性经第一性原理计算验证。原位高温共聚焦激光扫描显微技术观察到YAlO?和Al?O?夹杂物因更强的毛细力呈现聚集趋势，而Y?O?因毛细力较弱形成更均匀分布的小夹杂物。有限元分析显示大尺寸Al?O?和YAlO?夹杂物导致内部应力集中，而Y?O?夹杂物能将应力分散至基体，降低裂纹萌生风险。当Y含量在0.028-0.093 wt%范围内时，优化了夹杂物特性，降低了聚集倾向和局部应力集中，显著提升了合金清洁度与高温可靠性。

　　

Likun Long|Linzhu Wang|Xiang Li|Chaoyi Chen|Junqi Li

贵州大学材料与冶金学院，中国贵阳550025

摘要

为了明确稀土元素钇（Y）对K4169镍基超级合金夹杂物行为的影响，进行了系统的实验和模拟研究。通过真空非消耗电弧熔炼法添加了Y元素，随着Y含量的增加，夹杂物的形成顺序为Al₂O₃+Ti_xO_y → Al₂O₃+Ti_xO_y+YAlO₃ → Y₂O₃。首先通过第一性原理模拟计算了YAlO₃的恒压比热（C_{p），并将其纳入FactSage数据库用于夹杂物形成的热力学计算。利用高温共聚焦激光扫描显微镜（HT-CLSM）原位观察了夹杂物的聚集行为，并用Kralchevsky-Paunov（K-P）模型计算了毛细力。结果表明，YAlO3和Al2O3的毛细力比Y2O3更强，这促进了它们的聚集和局部聚集。相比之下，Y2O3较弱的毛细力限制了其聚集，导致夹杂物更小且分布更均匀。有限元模拟进一步显示，大的Al2O3和YAlO3夹杂物会在夹杂物内部引起严重的应力集中，而Y2O3夹杂物则将应力分散到镍基体中，降低了裂纹形成的风险。在0.028 wt%–0.093 wt%的Y添加范围内，实现了优化的夹杂物特性、较低的聚集倾向和减少的局部应力集中，从而提高了合金的清洁度和可靠性。}

引言

超级合金是一类主要由镍（Ni）、铁（Fe）和钴（Co）组成的高性能合金，广泛应用于航空航天和燃气轮机等高温领域1, 2, 3。其中，镍基超级合金由于具有面心立方（FCC）结构，在高温下仍能保持稳定，因此被广泛使用。这种结构稳定性赋予了合金优异的高温延展性和韧性，以及良好的合金化能力4, 5, 6。K4169是一种典型的沉淀强化镍基超级合金，在熔炼过程中加入铝（Al）和钛（Ti）以促进γ''相的形成，从而提高了合金的整体机械性能7, 8, 9, 10, 11。然而，这些元素在高温下会与残余杂质（[O]和[N]）发生反应，形成不可避免的氧化物和氮化物夹杂物，如Al₂O₃、TiN和Ti_xO_y12, 13, 14。先前的研究表明，这些夹杂物会显著降低合金的疲劳寿命和机械强度。因此，深入理解K4169超级合金中夹杂物的类型、形成机制及其影响至关重要15, 16, 17。

稀土元素在高温镍基超级合金中的应用日益增多18。常用的稀土元素包括镧（La）、铈（Ce）、钇（Y）、铼（Re）、钌（Ru）、铪（Hf）和钽（Ta）19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26。这些元素可以在镍基超级合金中发挥多种有益作用，包括增强合金强度、提高纯度、细化晶粒和优化微观结构、以及提高抗氧化性27。许多研究关注了Y在高温合金中的作用。Wang等人28通过选择性激光熔炼（SLM）将Y引入镍基超级合金中，发现Y形成了Y₂O₃氧化物颗粒并增加了位错密度，从而提高了高温拉伸强度和断裂韧性。Shi等人29报告称，Y在1100 °C时通过促进Al₂O₃的形成并抑制NiO的生成，增强了镍基超级合金上氧化层的密度和附着力，从而提高了抗氧化性。Yu等人30证明，Y还提高了氧化层在高温循环氧化下的稳定性和抗剥落能力，这种效果取决于循环频率。此外，Cao等人和Li等人31, 32证实，在K4169合金的真空感应熔炼过程中，Y显著降低了氧和硫的含量，并通过形成富Y相抑制了碳和硫的扩散。

因此，本研究系统地研究了稀土Y添加对镍基超级合金K4169中夹杂物形成、聚集行为和应力集中的影响。Y通过真空非消耗电弧熔炼法加入。使用FactSage热力学软件分析了不同Y含量下夹杂物的形成机制，并通过第一性原理计算了YAlO₃的恒压比热（C_{p）。采用原位高温共聚焦激光扫描显微镜（HT-CLSM）观察了夹杂物的聚集行为，并应用Kralchevsky-Paunov（K-P）模型量化了毛细相互作用力。此外，还进行了有限元模拟，以评估夹杂物类型和大小对合金内部应力集中的影响。这种综合方法旨在全面了解Y在改变夹杂物特性和指导合金清洁度及机械可靠性方面的作用。}

实验与表征

本研究使用的镍基超级合金为K4169。K4169镍基超级合金的成分列于表1中。Y以含有50 wt% Y的Ni-Y母合金形式加入合金中。样品采用非消耗式真空电弧熔炼炉制备，熔融合金在高纯度氩气氛围下在水冷铜坩埚中凝固。为确保化学均匀性，每个锭子重新熔炼了三次。

熔炼后，样品尺寸为10 mm × 10 mm × 10 mm

关键合金元素含量分析

本研究共制备了七个合金样品，包括一个未添加Y的基线样品和六个添加不同量稀土Y的样品。熔炼后七个合金样品中Y、O、N和S的测量含量列于表2中。最终Y含量范围为0.0045 wt%–0.093 wt%。总体而言，随着Y含量的增加，O、N和S的含量呈下降趋势，尽管在中间成分中观察到轻微波动。

夹杂物形成的热力学计算

为了进一步验证第3.2节讨论的夹杂物形成趋势（该趋势受Y含量变化驱动），基于最小吉布斯自由能原理，对镍基超级合金K4169系统中的夹杂物相进行了稳定性分析。使用FactSage 7.2的相图模块计算了可能夹杂物化合物的相稳定区域50。然而，该版本的FactSage标准数据库中不包含YAlO₃的热力学数据

结论

本研究通过结合热力学计算、第一性原理模拟、原位 HT-CLSM观察和有限元分析，系统研究了稀土Y对K4169镍基超级合金中夹杂物形成、聚集和应力集中的影响。研究结果为提高高温应用中镍基超级合金的清洁度和可靠性提供了基础数据和理论指导。主要结论总结如下

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。