镍基变形高温合金裂纹形成及控制研究进展

doi:10.20057/j.1003-8620.2024-00089

摘要/Abstract

摘要： 随着高性能航空发动机对材料要求的不断提高，新型镍基变形高温合金的合金化程度和γ'相质量分数也在不断增加。这就导致了合金的熔炼难度逐渐提高。高合金化的新型镍基变形高温合金一般通过真空感应熔炼（VIM）+保护气氛电渣重熔（PESR）+真空电弧重熔（VAR）三联工艺来生产。受合金化程度的影响，合金在熔炼过程中易产生液固相间的溶质分凝和元素偏析，电极和铸锭在热应力与相变应力的综合作用下极易发生开裂，造成后续重熔过程电弧波动，从而对铸锭质量造成不利影响。电极裂纹问题是高温合金凝固过程中产生的一种复杂冶金缺陷，也是长期困扰我国高合金化难变形高温合金锭型扩大的共性技术难题。基于此，综述了近年来作者团队和国内外研究组在变形镍基高温合金熔炼过程中裂纹的形成机制、裂纹的影响因素及裂纹控制方面的研究进展，并对沉淀强化型镍基变形高温合金的未来发展方向进行了展望。

关键词: 三联熔炼, 高合金化, 高温合金, 裂纹形成机制, 裂纹控制

Abstract: With the continuous improvement of material requirements for high-performance aviation engines， the degree of alloying and the mass fraction of the γ' phase in new nickel-based superalloys for high-temperature applications continue to increase. This leads to progressively more challenging melting processes for these alloys. High-alloyed wrought nickel-based deformation superalloys are generally produced through a triple combination process of Vacuum Induction Melting （VIM） + Protective Atmosphere Electro-Slag Remelting （PESR） + Vacuum Arc Remelting （VAR）. Due to the influence of alloying degree， alloys are prone to solute segregation and elemental partitioning between liquid and solid phases during the melting process， making electrodes and ingots susceptible to cracking under the combined effects of thermal stress and phase transformation stress. This not only causes arc fluctuations during the subsequent remelting process but also adversely affects the quality of the ingots. Electrode crack formation is a complex metallurgical defect that occurs in the solidification process of superalloys and has been a common technical challenge that has long plagued the expansion of ingot sizes for high-alloy， difficult-to-deform superalloys in China. Therefore， this paper reviews the recent research progress of the author’s team and research groups at home and abroad in the crack formation mechanism， influencing factors of crack and crack control of wrought nickel-based superalloys， and looks forward to the future development direction of wrought superalloy precipitation strengthened nickel-based superalloys.

Key words: Triple Melting, Highly alloyed, Wrought Superalloy, Formation Mechanism of Crack, Crack Control

中图分类号:

杨树峰, 贾雷, 鄢宇灿, 王田田, 赵朋, 杨曙磊. 镍基变形高温合金裂纹形成及控制研究进展[J]. 特殊钢, 2024, 45(4): 13-25.

Yang　Shufeng, Jia　Lei, Yan　Yucan, Wang　Tiantian, Zhao　Peng, Yang Shulei. Research Progress on the Formation and Control of Cracks in Wrought Nickel-Based Superalloys[J]. Special Steel, 2024, 45(4): 13-25.

参考文献

［1］ Jia L， Cui H， Yang S F， et al. As-cast microstructure and homogenization kinetics of a typical hard-to-deform Ni-base superalloy［J］. Journal of Materials Research and Technology， 2023， 23： 5368-5381.
［2］高首磊，徐晓卫，张宏，等. 高温均匀化对GH4710镍基合金组织及性能的影响［J］. 特殊钢， 2024， 45（1）： 87-93.
［3］江河，董建新，张麦仓，等. 800 ℃以上服役涡轮盘用难变形镍基高温合金研究进展［J］. 航空制造技术， 2021， 64（Z1）： 62-73.
［4］杨浩，王方军，李采，等. 镍基高温合金的熔炼工艺研究进展［J］. 特殊钢， 2023， 44（3）： 1-9.
［5］ Yang S F， Yang S L， Qu J L， et al. Inclusions in wrought superalloys： a review［J］. Journal of Iron and Steel Research International， 2021， 28（8）： 921-937.
［6］ Zhao P， Gu Y， Yang S F， et al. Study on the Molten Pool Behavior， Solidification Structure， and Inclusion Distribution in an Industrial Vacuum Arc Remelted Nickel-Based Superalloy［J］. Metallurgical and Materials Transactions B， 2023， 54（2）： 698-711.
［7］ Li X X， Jia C L， Zhang Y， et al. Cracking mechanism in as-cast GH4151 superalloy ingot with high γ′ phase content［J］. Transactions of Nonferrous Metals Society of China， 2020， 30（10）： 2697-2708.
［8］ El Mir H， Jardy A， Bellot J P， et al. Thermal behaviour of the consumable electrode in the vacuum arc remelting process［J］. Journal of Materials Processing Technology， 2010， 210（3）： 564-572.
［9］ Zhou W Z， Tian Y S， Tan Q B， et al. Effect of carbon content on the microstructure， tensile properties and cracking susceptibility of IN738 superalloy processed by laser powder bed fusion［J］. Additive Manufacturing， 2022， 58： 103016-103035.
［10］ Zhou Z P， Huang L， Shang Y J， et al. Causes analysis on cracks in nickel-based single crystal superalloy fabricated by laser powder deposition additive manufacturing［J］. Materials & Design， 2018， 160： 1238-1249.
［11］ Jia L， Cui H， Yang S F， et al. Evolution of microstructure and properties of a novel Ni-based superalloy during stress relief annealing［J］. International Journal of Minerals， Metallurgy and Materials， 2023， 30： 1-14.
［12］ Lei J， Heng C， ShuFeng Y. Evolution of microstructure and properties of a novel Ni-based superalloy during stress relief annealing［J］. 2023， under review.
［13］ Zhou W Z， Tian Y S， Tan Q B， et al. Effect of carbon content on the microstructure， tensile properties and cracking susceptibility of IN738 superalloy processed by laser powder bed fusion［J］. Additive Manufacturing， 2022， 58： 103016-103035.
［14］ Xu J J， Lin X， Guo P F， et al. The initiation and propagation mechanism of the overlapping zone cracking during laser solid forming of IN-738LC superalloy［J］. Journal of Alloys and Compounds， 2018， 749（2）： 859-870.
［15］ Jia L， Cui H， Yang S F， et al. The cracking behavior of the new Ni-based superalloy GH4151 in the triple melting process［J］. Journal of Materials Research and Technology， 2023， 25： 2368-2382.
［16］ Boswell J H， Clark D， Li W， et al. Cracking during thermal post-processing of laser powder bed fabricated CM247LC Ni-superalloy［J］. Materials & Design， 2019， 174： 107793-107805.
［17］ Lalpoor M， Eskin D G， Katgerman L. Cold-Cracking Assessment in AA7050 Billets during Direct-Chill Casting by Thermomechanical Simulation of Residual Thermal Stresses and Application of Fracture Mechanics［J］. Metallurgical and Materials Transactions A， 2009， 40（13）： 3304-3313.
［18］ Yu H， Liang J J， Bi Z N， et al. Computational Design of Novel Ni Superalloys with Low Crack Susceptibility for Additive Manufacturing［J］. Metallurgical and Materials Transactions A， 2022， 53（6）： 1945-1954.
［19］ Kazempour-Liasi H， Tajally M， Abdollah-Pour H. Effects of pre- and post-weld heat treatment cycles on the liquation and strain-age cracking of IN939 superalloy［J］. Engineering Research Express， 2019， 1（2）： 25026-25041.
［20］ Singh S， Andersson J. Hot cracking in cast alloy 718［J］. Science and Technology of Welding and Joining， 2018， 23（7）： 568-574.
［21］ Qin R Y， Duan Z L， He G. Microstructure and Ductility-Dip Cracking Susceptibility of Circumferential Multipass Dissimilar Weld Between 20MND5 and Z2CND18-12NS with Ni-Base Filler Metal 52［J］. Metallurgical and Materials Transactions A， 2013， 44（10）： 4661-4670.
［22］ Agarwal G， Amirthalingam M， Moon S C， et al. Experimental evidence of liquid feeding during solidification of a steel［J］. Scripta Materialia， 2018， 146（4）： 105-109.
［23］王旭明，程军，党惊知. 铸件热裂纹预测的判据［J］. 华北工学院学报， 1996， 12（1）： 37-41.
［24］ Bozzolo G， del Grosso M F， Mosca H O. Algorithm for the calculation of the coefficient of thermal expansion of multicomponent metallic alloys［J］. Materials Letters， 2008， 62（24）： 3975-3977.
［25］ Wei Q S， Xie Y， Teng Q， et al. Crack types， mechanisms， and suppression methods during high-energy beam additive manufacturing of nickel-based superalloys： A review［J］. Chinese Journal of Mechanical Engineering： Additive Manufacturing Frontiers， 2022， 1（4）： 100055. .
［26］王法. 高含量γ'特性对难变形GH4151合金组织性能影响及更高使用温度合金探索［D］. 北京：北京科技大学， 2023.
［27］ Brennan M C， Keist J S， Palmer T A. Defects in metal additive manufacturing processes［J］. Journal of Materials Engineering and Performance， 2021， 30（7）： 4808-4818.
［28］ Ghoussoub J N， Tang Y T， Dick-Cleland W J B， et al. On the influence of alloy composition on the additive manufacturability of Ni-based superalloys［J］. Metallurgical and Materials Transactions A， 2022， 53（3）： 962-983.
［29］ Tang Y T， Panwisawas C， Ghoussoub J N， et al. Alloys-by-design： Application to new superalloys for additive manufacturing［J］. Acta Materialia， 2021， 202： 417-436.
［30］ Kou S. A criterion for cracking during solidification［J］. Acta Materialia， 2015， 88： 366-374.
［31］ JIANG H， DONG J X， ZHANG M C. Development of typical hard-to-deform nickel-base superalloy for turbine disk served above 800 ℃［J］. Aeronaut. Manuf. Technol.， 2021， 64（1/2）： 62-73.
［32］ Zhang L， Wang L， Liu Y， et al. Hot cracking behavior of large size GH4742 superalloy vacuum induction melting ingot［J］. Journal of Iron and Steel Research International， 2022， 29（9）： 1505-1512.
［33］李　强. 镍基高温合金真空感应电极开裂行为的研究［D］. 沈阳：东北大学， 2018.
［34］毕中南，秦海龙，董志国，等. 高温合金盘锻件制备过程残余应力的演化规律及机制［J］. 金属学报， 2019， 55（9）： 1160-1174.
［35］ Harrison N J， Todd I， Mumtaz K. Reduction of micro-cracking in nickel superalloys processed by Selective Laser Melting： A fundamental alloy design approach［J］. Acta Materialia， 2015， 94： 59-68.
［36］ Hu B， Li Z X， Li D J， et al. A hot tearing criterion based on solidification microstructure in cast alloys［J］. Journal of Materials Science & Technology， 2022， 105： 68-80.
［37］ Li L F， Zhang R J， Yuan Q Q， et al. An integrated approach to study the hot tearing behavior by coupling the microscale phase field model and macroscale casting simulations［J］. Journal of Materials Processing Technology， 2022， 310： 117782.
［38］ Chen K， He X K， Liu Z D， et al. Porosity forming mechanism and numerical simulation of casting process optimization of nickel-based heat-resistant alloy electrode ingot with large height to diameter ratio［J］. Journal of Materials Research and Technology， 2024， 29： 2363-2375.
［39］ Suyitno， Savran V I， Katgerman L， et al. Effects of alloy composition and casting speed on structure formation and hot tearing during direct-chill casting of Al-Cu alloys［J］. Metallurgical and Materials Transactions A， 2004， 35（11）： 3551-3561.
［40］张麦仓，曹国鑫，董建新. 冷却速度对GH4169合金凝固过程微观偏析及糊状区稳定性的影响［J］. 中国有色金属学报， 2013， 23（11）： 3107-3113.
［41］沙卫星，魏仁杰，周伟基，等. 钢锭模和帽口的设计对特殊钢6 t八角钢锭成材率的影响［J］. 特殊钢， 2014， 35（6）： 44-46.
［42］唐郑磊，许少普，王福明，等. 新型水冷模铸生产抗层状撕裂特厚板的浇铸参数模拟优化［J］. 特殊钢， 2023， 44（4）： 22-27.
［43］ Tang B， Li S S， Wang X S， et al. Effect of Ca/Sr composite addition into AZ91D alloy on hot-crack mechanism［J］. Scripta Materialia， 2005， 53（9）： 1077-1082.
［44］ Hu B， Richardson I M. Mechanism and possible solution for transverse solidification cracking in laser welding of high strength aluminium alloys［J］. Materials Science and Engineering： A， 2006， 429（1-2）： 287-294.
［45］李树索，郑运荣，韩雅芳，等. 铝含量对定向凝固Ni3 Al基合金显微组织和持久性能的影响［J］. 稀有金属材料与工程， 2004， 33（12）： 1329-1332.
［46］范映伟，侯淑娥，黄朝晖. Al含量对Ni3 Al基IC10合金凝固行为的影响［J］. 材料热处理学报， 2009， 30（1）： 88-92.
［47］ Zhao Z， Dong J X. Effect of eutectic characteristics on hot tearing of cast superalloys［J］. Journal of Materials Engineering and Performance， 2019， 28（8）： 4707-4717.
［48］ Sun Z J， Ma Y， Ponge D， et al. Thermodynamics-guided alloy and process design for additive manufacturing［J］. Nature Communications， 2022， 13： 4361.
［49］盖永超. GH4151合金微观组织调控与拉伸性能研究［D］. 合肥：中国科学技术大学， 2022.
［50］ Yan B C， Zhang J， Lou L H. Effect of boron additions on the microstructure and transverse properties of a directionally solidified superalloy［J］. Materials Science and Engineering： A， 2008， 474（1-2）： 39-47.
［51］ Chauvet E， Kontis P， J\"agle E A， et al. Hot cracking mechanism affecting a non-weldable Ni-based superalloy produced by selective electron Beam Melting［J］. Acta Materialia， 2018， 142： 82-94.
［52］ Zhou Y Z， Volek A. Effect of carbon additions on hot tearing of a second generation nickel-base superalloy［J］. Materials Science and Engineering： A， 2008， 479（1-2）： 324-332.
［53］ Jia L， Cui H， Yang S F， et al. Effect of carbon addition on microstructure and mechanical properties of a typical hard-to-deform Ni-base superalloy［J］. Progress in Natural Science： Materials International， 2023， 33（2）： 232-243.
［54］郑运荣. 微量锆对DZ3高温合金凝固行为的影响［J］. 金属科学与工艺， 1988（3）： 40-46.
［55］ Zhao Y N， Ma Z Q， Yu L M， et al. New alloy design approach to inhibiting hot cracking in laser additive manufactured nickel-based superalloys［J］. Acta Materialia， 2023， 247： 118736.
［56］ Zhang J， Singer R F. Effect of Zr and B on castability of Ni-based superalloy IN792［J］. Metallurgical and Materials Transactions A， 2004， 35（4）： 1337-1342.
［57］ Jia L， Cui H， Yang S F， et al. Effect of the cooling rates on the microstructure and segregation characteristics in directionally solidified GH4151 superalloy［J］. Materials Characterization， 2024， 209： 113735.
［58］杨　浩，王方军，李　采，等. 镍基高温合金的熔炼工艺研究进展［J］. 特殊钢， 2023， 44（3）： 1-9.
［59］ Mertens R， Dadbakhsh S， Van Humbeeck J， et al. Application of base plate preheating during selective laser melting［J］. Procedia CIRP， 2018， 74： 5-11.
［60］ Guo B J， Zhang Y S， Yang Z S， et al. Cracking mechanism of Hastelloy X superalloy during directed energy deposition additive manufacturing［J］. Additive Manufacturing， 2022， 55： 102792.
［61］ Lu N N， Lei Z L， Hu K， et al. Hot cracking behavior and mechanism of a third-generation Ni-based single-crystal superalloy during directed energy deposition［J］. Additive Manufacturing， 2020， 34： 101228.
［62］ Guo H， Chaturvedi M C， Richards N L. Effect of nature of grain boundaries on intergranular liquation during weld thermal cycling of nickel base alloy［J］. Science and Technology of Welding and Joining， 1998， 3（5）： 257-259.
［63］ Won Y M， Yeo T J， Seol D J， et al. A new criterion for internal crack formation in continuously cast steels［J］. Metallurgical and Materials Transactions B， 2000， 31（4）： 779-794.
［64］赵惠田，师昌绪. CoO孕育剂促进铸造镍基高温合金晶粒细化的研究［J］. 金属学报， 1981， 17（2）： 118-123.
［65］ Jin W Z， Zhang W， Li T J， et al. Study of the grain refinement technology by electromagnetic stirring for IN100 superalloy vacuum investment casting［J］. Advanced Materials Research， 2011， 189-193： 3789-3794.

[1]	孔祥伟, 侯美伶, 白云, 张剑锋. 螺纹加工顺序对A286紧固件室温疲劳性能的影响[J]. 特殊钢, 2024, 45(5): 119-122.
[2]	赵子民, 孙欣, 侯栋, 周伟基, 姚玉东, 孙常亮. 普通电渣炉的全密闭气氛改造及其对典型钢种的影响[J]. 特殊钢, 2024, 45(4): 99-103.
[3]	赵朋, 桂凯璇, 曲敬龙, 杨树峰. ϕ690 mm大尺寸GH4738合金真空自耗重熔数值模拟与工业实验[J]. 特殊钢, 2024, 45(4): 55-60.
[4]	范晓烁, 刘玉峰, 袁华. 粉末处理对FGH95氧含量、微观组织及力学性能的影响[J]. 特殊钢, 2024, 45(4): 124-130.
[5]	罗小雨, 郭靖, 郭汉杰, 李泽友. IN718镍基高温合金熔体脱氮和TiN析出热力学研究[J]. 特殊钢, 2024, 45(1): 33-41.
[6]	高首磊, 徐晓卫, 张宏, 王立. 高温均匀化对GH4710镍基合金组织及性能的影响[J]. 特殊钢, 2024, 45(1): 87-93.
[7]	王志刚, 王立, 曹政. Nb在变形高温合金中的作用[J]. 特殊钢, 2023, 44(6): 1-7.
[8]	李成龙, 钟裕国, 李晴, 赵长虹, 荣文凯. 自由锻工艺及碳含量对高温合金GH3128显微组织与力学性能影响[J]. 特殊钢, 2023, 44(3): 90-93.
[9]	杨浩, 王方军, 李采, 吴畏. 镍基高温合金的熔炼工艺研究进展[J]. 特殊钢, 2023, 44(3): 1-9.
[10]	李烁, 闫森, 金奎文, 王勃兴, 陆凤君. 碳含量及热加工变形量对镍基合金GH3625组织和性能的影响[J]. 特殊钢, 2022, 43(2): 75-78.
[11]	陈道凤, 郑宏光, 马天军, 单爱党. Ti和/或Nb对高温合金25Cr37Ni0.6Nb组织和力学性能的影响[J]. 特殊钢, 2014, 35(2): 47-50.
[12]	郝文慧, 武敏, 罗刚, 王珏, 谢锡善. Al,Ti,Nb,Mo含量对新型Ni-25Cr-20Co镍基合金中γ′和η析出相的影响[J]. 特殊钢, 2013, 34(2): 1-3.
[13]	喻育红, 孙魁平, 邓秀琴, 王志刚. 铁-镍-钴-基3种高温合金的恒温氧化行为[J]. 特殊钢, 2008, 29(5): 35-37.
[14]	董加胜, 楼琅洪, 张匀, 孙晓峰. 熔炼次数对M17返回料合金成分、组织和性能的影响[J]. 特殊钢, 2008, 29(3): 27-29.
[15]	赵鸿燕. 渣成分对高温合金0Cr15Ni25Ti2MoAlVB 电渣重熔Ti烧损率和钢锭表面质量的影响[J]. 特殊钢, 2006, 27(2): 61-62.