VIM+ESR双联冶炼GH5188合金的铸态组织及凝固偏析行为

周运; 孙文儒; 赵广迪; 曾令荣; 杜磊

doi:10.20057/j.1003-8620.2025-00036

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

VIM+ESR双联冶炼GH5188合金的铸态组织及凝固偏析行为

冶炼与凝固 | 更新时间：2026-01-16

- VIM+ESR双联冶炼GH5188合金的铸态组织及凝固偏析行为
- The As-Cast Microstructure and Solidification Segregation Behavior of GH5188 Alloy Produced by VIM+ESR Dual Melting Process
- 特殊钢 2026年47卷第1期页码：47-57
- 作者机构：
  
  1.辽宁科技大学材料与冶金学院，鞍山 114051
  2.松山湖材料实验室，东莞 523000
- 作者简介：
  
  周运（1996―），男，硕士；E-mail：alexchou1011@163.com
  赵广迪（1989―），男，博士，副教授；E-mail：gdzhao12 s@alum.imr.ac.cn
- 基金信息：
  
  辽宁省教育厅高校基本科研项目-面上项目(JYTMS20230943)
- DOI：10.20057/j.1003-8620.2025-00036
  中图分类号： TG113.1
- 收稿：2025-02-15，
  
  纸质出版：2026-01-30
- 稿件说明：
移动端阅览
周运,孙文儒,赵广迪等.VIM+ESR双联冶炼GH5188合金的铸态组织及凝固偏析行为[J].特殊钢,2026,47(01):47-57.

Zhou Yun,Sun Wenru,Zhao Guangdi,et al.The As-Cast Microstructure and Solidification Segregation Behavior of GH5188 Alloy Produced by VIM+ESR Dual Melting Process[J].Special Steel,2026,47(01):47-57.
周运,孙文儒,赵广迪等.VIM+ESR双联冶炼GH5188合金的铸态组织及凝固偏析行为[J].特殊钢,2026,47(01):47-57. DOI： 10.20057/j.1003-8620.2025-00036.

Zhou Yun,Sun Wenru,Zhao Guangdi,et al.The As-Cast Microstructure and Solidification Segregation Behavior of GH5188 Alloy Produced by VIM+ESR Dual Melting Process[J].Special Steel,2026,47(01):47-57. DOI： 10.20057/j.1003-8620.2025-00036.

摘要

GH5188是一种固溶强化型钴基高温合金，广泛用于航空发动机前涡流板和燃气轮机导向叶片等热端部件，采用VIM+ESR双联工艺有利于提高其高温力学性能。通过热力学计算、差热分析和SEM-EDS检测等方法研究了VIM+ESR双联工艺冶炼GH5188合金铸锭边缘至心部的组织演变和凝固偏析特征，以期为铸锭后续的均匀化工艺制定提供理论指导。结果表明，铸锭由细晶区和粗大柱状晶区构成，其中细晶区位于距铸锭表面（0~2.9±0.76） mm的区域内。从铸锭边缘至心部，细晶区和柱状晶区的晶粒尺寸和枝晶间距均先大幅增大后小幅增大。在枝晶间和晶界处析出了初生M

C、（M

C+M

）碳化物和菊花状（M

C+M

+γ）三元共晶，并且围绕初生碳化物析出了团簇状M

二次碳化物。从铸锭边缘至心部，初生碳化物的尺寸和数量逐渐增加。Cr、W为正偏析元素，Co、Ni为负偏析元素，且元素偏析程度由铸锭边缘至心部逐渐增大。在凝固过程中Cr和W不断向液相中富集，导致在凝固末期剩余液相中形成了初生碳化物和三元共晶。研究表明，GH5188合金的凝固和析出顺序是γ枝晶、初生M

C、初生（M

C+M

）、（M

C+M

+γ）三元共晶、二次M

。

Abstract

GH5188 is a solid so

lution strengthened cobalt-based superalloy， which is widely used in hot components such as front vortex board of aeroengines and guide blades of gas turbines. The use of VIM+ESR duplex melting process is beneficial for improving its high-temperature mechanical properties. I The microstructure evolution and solidification segregation characteristics from the edge to the center of GH5188 alloy ingot produced by VIM+ESR duplex melting process have been investigated through thermodynamic calculations， differential thermal analysis， and SEM-EDS detection so as to provide theoretical guidance for the subsequent homogenization treatment design of ingot. The results showed that the ingot consisted of fine grain region and coarse columnar grain region， with the fine grain region located within a range of （0-2.9±0.76） mm from the surface. The grain size and dendrite arm spacing first significantly increased and then slightly increased from the edge to center of the ingot. Primary M

C，（M

C+M

） carbides， and ternary eutectic （M

C+M

+γ） were precipitated in the interdendritic region and along the grain boundaries. Moreover， clusters like secondary carbides M

were precipitated around the primary carbides. From the edge to center of the ingot， the average size and number of primary carbides gradually increase. Cr and W are positive segregation elements， while Co and Ni are negative segregation elements. The solidification segregation degree increases obviously from the edge to center of the ingot. During the solidification process， Cr and W were continuously accumulated in the liquid， which led to the precipitation of primary carbides and ternary eutectic in the remaining liquids. The solidification and precipitation sequence of GH5188 alloy is assumed as follows： γ dendrites， primary M

C， primary （M

C+M

）， ternary eutectic （M

C+M

+γ） an

d secondary M

关键词

Keywords

references

Klein L ， Shen Y ， Killian M S ， et al . Effect of B and Cr on the high temperature oxidation behaviour of novel γ/γ’-strengthened co-base superalloys ［J］. Corrosion Science ， 2011 ， 53 （ 9 ）： 2713 - 2720 .

张旭明，马庆爽，张海莲，等 . 新型钴基高温合金成分设计的研究进展［J］. 中国材料进展， 2024 ， 43 （ 3 ）： 230 - 237 .

师昌绪，仲增墉 . 中国高温合金40年［J］. 金属学报， 1997 ， 33 （ 1 ）： 1 - 8 .

师昌绪，仲增墉 . 中国高温合金五十年： 1956-2006 ［M］. 北京：冶金工业出版社， 2006 ： 26 .

Kurt P.Rohrbach . 高温合金的发展与选择［J］. 宇航材料工艺， 2005 ， 35 （ 1 ）： 61 - 62 .

郭建亭 . 高温合金材料学-下册-高温合金材料与工程应用［M］. 北京：科学出版社， 2010 .

郭建亭 . 高温合金材料学-上册-应用基础理论［M］. 北京：科学出版社， 2008 ： 124 .

刘新灵，陈　星，侯学勤，等 . FGH95粉末冶金高温合金损伤与断裂特性研究［J］. 稀有金属材料与工程， 2009 ， 38 （ 7 ）： 1179 - 1183 .

Zhang H Y ， Zhang S H ， Cheng M . Effect of δ phase on the tensile deformation behavior of gh4169 alloy at high temperature ［J］. Acta Metallurgica Sinica ， 2013 ， 49 （ 4 ）： 483 .

谷雨，赵朋，袁艺，等 . 冶炼工艺对FGH96合金洁净度的影响［J］. 中国冶金， 2023 ， 33 （ 3 ）： 62 - 67 .

Van Den Avyle J A ， Brooks J A ， Powell A C . Reducing defects in remelting processes for high-performance alloys ［J］. JOM ， 1998 ， 50 （ 3 ）： 22 - 25 .

张北江，黄　烁，张文云，等 . 变形高温合金盘材及其制备技术研究进展［J］. 金属学报， 2019 ， 55 （ 9 ）： 1095 - 1114 .

陈希春，任　昊，付　锐，等 . 电渣重熔高温合金凝固组织控制的研究进展［J］. 特钢技术， 2011 ， 17 （ 3 ）： 1 - 4+31 .

曾炳胜，吴素琴，张素兰 . 碳和镧含量对钴基GH188合金组织和性能的影响［J］. 钢铁研究总院学报， 1986 （ 2 ）： 25 - 31 .

曾炳胜，吴素琴，张素兰 . 镧在钴基超合金GH188中的作用及分配［J］. 中国稀土学报， 1986 ， 4 （ 4 ）： 45 - 52 .

蒙肇斌，曾炳胜，王志刚 . 钴基高温合金GH188中镧化物类型及元素Mg晶界偏聚的研究［J］. 钢铁研究学报， 1999 ， 11 （ 3 ）： 30 - 33 .

王中原，张伟强，信　昕，等 . GH188合金的微观组织和均匀化工艺［J］. 沈阳理工大学学报， 2011 ， 30 （ 6 ）： 12 - 16 .

王　福，贾　丹，裴丙红，等 . La元素对GH5188合金组织性能的影响研究［J］. 特钢技术， 2022 ， 28 （ 3 ）： 14 - 17 .

蒋世川，王小川，唐平梅，等 . La含量对GH5188合金凝固过程及铸态组织的影响［J］. 金属热处理， 2024 ， 49 （ 2 ）： 71 - 76 .

蒋世川，张　健，裴丙红，等 . GH5188合金凝固过程动态原位观察研究［J］. 钢铁钒钛， 2023 ， 44 （ 3 ）： 131 - 137+164 .

戚慧琳，蒋世川，郭续龙 . 均匀化工艺对GH5188合金组织及力学性能的影响［J］. 金属热处理， 2023 ， 48 （ 2 ）： 150 - 157 .

Sankara Rao K B ， Castelli M G ， Allen G P ， et al . A critical assessment of the mechanistic aspects in HAYNES 188 during low-cycle fatigue in the range 25 ℃ to 1 000 ℃ ［J］. Metallurgical and Materials Transactions A ， 1997 ， 28 （ 2 ）： 347 - 361 .

Guo Z ， Saunders N ， Miodownik A P ， et al . Modelling of materials properties and behaviour critical to casting simulation ［J］. Materials Science and Engineering： A ， 2005 ， 413 ： 465 - 469 .

Saunders N ， Guo U K Z ， Li X ， et al . Using JMatPro to model materials properties and behavior ［J］. JOM ， 2003 ， 55 （ 12 ）： 60 - 65 .

高亚伟，董建新，姚志浩，等 . GH5188高温合金组织特征及冷热加工过程组织演变［J］. 稀有金属材料与工程， 2017 ， 46 （ 10 ）： 2922 - 2928 .

薛维华 . 晶粒组织的三维模型构建与定量表征研究［D］. 北京：北京科技大学， 2017 .

杨明波，彭晓东，潘复生，等 . 双辊薄带凝固组织中晶粒三维尺寸的表征［J］. 重庆大学学报（自然科学版）， 2001 ， 24 （ 4 ）： 5 - 7+30 .

陈明秋 . 电渣重熔钢锭动态温度场及微观组织的研究［D］. 沈阳：东北大学， 2010 .

邢思深，屈磊，姚久军，等 . 电渣重熔凝固过程的数值模拟［J］. 一重技术， 2023 ，（ 4 ）： 7 - 11 .

Liang G F ， Ali Y ， You G Q ， et al . Effect of cooling rate on grain refinement of cast aluminium alloys ［J］. Materialia ， 2018 ， 3 ： 113 - 121 .

Umemoto M ， Hai Guo Z ， Tamura I . Effect of cooling rate on grain size of ferrite in a carbon steel ［J］. Materials Science and Technology ， 1987 ， 3 （ 4 ）： 249 - 255 .

Easton M A ， StJohn D H . Improved prediction of the grain size of aluminum alloys that includes the effect of cooling rate ［J］. Materials Science and Engineering： A ， 2008 ， 486 （ 1-2 ）： 8 - 13 .

Shao J Y ， Yu G ， He X L ， et al . Grain size evolution under different cooling rate in laser additive manufacturing of superalloy ［J］. Optics & Laser Technology ， 2019 ， 119 ： 105662 .

崔忠圻，覃耀春 . 金属学与热处理［M］. 2版 . 北京：机械工业出版社， 2007 ： 56 .

胡汉起 . 金属凝固［M］. 北京：冶金工业出版社， 1985 .

大野笃美 . 金属凝固学［M］. 北京：机械工业出版社， 1983 ： 35 .

Tonks M R ， Zhang Y F ， Bai X M ， et al . Demonstrating the temperature gradient impact on grain growth in UO 2 using the phase field method ［J］. Materials Research Letters ， 2014 ， 2 （ 1 ）： 23 - 28 .

Zöllner D . Impact of a strong temperature gradient on grain growth in films ［J］. Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering ， 2022 ， 30 （ 2 ）： 025010 .

Fisher D J . Fundamentals of solidification ［M］. Laubisrutistr ： Trans Tech Publications Ltd ， 1986 ： 85 .

Jackson K A . Kinetic processes： crystal growth， diffusion， and phase transitions in materials ［M］. Weinheim ： Wiley-VCH ， 2005 .

Xiang X M ， Jiang H ， Dong J X ， et al . Thoughts on high performance superalloy design and microstructural characteristics of a newly designed ni-cr-co-w superalloy applied above 850 ℃ ［J］. Materials Science Forum ， 2019 ， 944 ： 13 - 24 .

Gong L ， Chen B ， Zhang L ， et al . Effect of cooling rate on microstructure， microsegregation and mechanical properties of cast Ni-based superalloy K417G ［J］. Journal of Materials Science & Technology ， 2018 ， 34 （ 5 ）： 811 - 820 .

Li M ， Coakley J ， Isheim D ， et al . Influence of the initial cooling rate from γ′ supersolvus temperatures on microstructure and phase compositions in a nickel superalloy ［J］. Journal of Alloys and Compounds ， 2018 ， 732 ： 765 - 776 .

浏览量

下载量

CSCD

CNKI被引量

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

镍基高温合金GH3230晶粒长大行为

Cr12MoV扁钢直接轧制过程中碳化物的控制与工艺优化

盾构/TBM滚刀刀圈研制进展

固溶温度对Haynes 230合金热轧棒材显微组织演变和拉伸性能的影响