钇含量对 CoNiCrAlY合金微观组织的影响
马 尧，张淑婷，王 辉，于月光，任先京
热 喷 涂 技 术2012年6月
摘 要：分别采用真空感应熔炼及真空惰气雾化的方法制备了CoNiCrAlY 铸锭及粉末，并对其铸态组织进行了研究。结果表明：随着钇含量的增加，钇偏聚程度也逐渐增大，在铸锭铸态组织中存在明显的枝晶组织，钇含量较低时其形貌呈现细长条状。而当钇含量达到 1.40%时，铸锭中枝晶开始呈现鱼骨状。另外，研究表明粉末中的显微组织与铸锭中相似，但当钇含量为0.61%时，钇的偏聚不明显。
关键词：MCrAlY；真空雾化；铸态组织；粉末
先进航空燃气涡轮机入口温度已在过去十年中大幅增加。提高进气口温度可以进一步提高发动机效率并使能源更经济的利用[1]。然而，较高的温度会导致涂层氧化加重并加速氧在涂层与基体之间的界面处的扩散速度[2]。MCrAlY系列涂层广泛应用于抗氧化保护涂层（M 包括镍或钴）。较低含量的钇能够显著改善高温合金组织性能方面目前已被人们所熟知[3- 5]。
然而，较高含量的钇对 MCrAlY 合金或粉末的微观结构的影响并未得到深刻认识。由于钇分布取决于各种参数，如含量、制备过程中合金或粉末的冷却速度、熔炼工艺等，所以需要针对上述参数对钇元素在铸锭及粉末中的分布及钇含量对微观组织的影响进行系统研究。本文主要针对不同钇含量（最高达 1.40％）对真空感应熔炼制备的CoNiCrAlY铸锭和真空惰气雾化制备的粉末的微观结构的影响进行了系统研究。
1实验
实验所用合金组成元素为：Ni，Co，Cr，Al，Y。熔炼铸锭试验在 10kg中频真空感应炉中进行，采用碱性预烧结坩埚，装炉量约 4kg。熔炼时熔池表面直径为 90mm。熔池温度由“铂铑 30－铂铑 6”热电偶进行精确的测量。熔炼前，首先向坩埚内加入Ni，Co，Cr，Al 原料块。抽真空后以一定功率熔化均匀，分别加入不同含量的合金元素Y，调整至合适温度后浇铸为直径 7cm、高约 20cm的圆柱形铸锭；待铸锭充分冷却后取出，取适量钻屑测定合金基体成分，并采用 ICP- AES 的方法检测钇的含量；取铸锭同一部位样块制成径向和轴向剖面试样，经过机械研磨、抛光和腐蚀后（4%HNO3+酒精），分别在金相显微镜与HITACHI S- 3500N 扫描电镜上观察其形貌与微观组织。
雾化制粉试验在 50Kg真空惰性气体雾化炉中进行，采用碱性预烧结坩埚，装炉量约 15kg。熔炼时熔池表面直径为 150mm。熔池温度由“铂铑 30－铂铑 6”热电偶进行精确的测量。采用与熔炼试验相同的熔炼工艺，加 Y 并调整温度后直接雾化为合金粉末；待粉末充分冷却后取出，并采用ICP- AES的方法检测钇的含量；将粉末制成剖面试样，经过机械研磨、抛光后，采用同样的方法进行相关性能检测。
2结果与讨论
2.1 钇含量对 CoNiCrAlY 铸锭显微组织的影响
熔炼后测定铸锭中各元素的重量百分比如表1 所示。其中 Ni、Co、Cr、Al 含量均控制在稳定范围内。钇含量为 0.62%铸锭组织形貌如图 1 所示。从图1a 中可以看出，铸锭组织中含有大量的枝晶，枝晶呈细长条状。而从图 1b 中可以看出，元素在铸锭中存在一定的偏聚。对图 1b 中 A点白色相进行 EDS分析结果如图 2 所示，从分析结果中可以得出，钇大部分偏聚在枝晶间，其中钇的含量约为18.5%。
钇含量为 1.10%铸锭组织形貌如图 3 所示。从图3a中可以看出，铸锭组织中仍然存在大量的枝晶。但是从图3b 中可以看出，随着钇含量的增加，钇在枝晶间的偏聚程度有所增加。
2.2 钇含量对 CoNiCrAlY 粉末显微组织的影响
熔炼后测定粉末中各元素的重量百分比如表 2 所示。其中 Ni、Co、Cr、Al 含量均控制在稳定范围内。不同钇含量对粉末的组织形貌也存在一定影响，从图5 中可以看出，钇含量为 1.08%时，粉末内部组织晶界处呈现明显的不规则形状；而钇含量为0.61%时，粉末内部组织较为均匀规则，晶界弯曲程度较小。
从图 6 中可以看出，钇含量为 1.08%的粉末显微组织中呈现一定程度的偏析。对图中 A 点进行 EDS 分析结果表明，粉末枝晶间同样存在一定程度的钇的偏析，且钇的含量约为7.2%，低于图2所示的铸锭中钇偏析相中的钇的含量。然而，当钇含量为0.61%时，粉末组织中却未发现相似的现象。
2.3 凝固过程分析
凝固时若晶界与长大方向平行，由于表面能的要求，在晶界与界面相交之处会产生沟槽，如图 7a[6]所示。若存在组分过冷时，会在晶界沟槽处产生明显的偏析。另外，若界面前堆积溶质原子（k0<1），在两个长大的晶粒相碰时形成晶界，晶界吸纳了较多的溶质原子，如图 b 所示。这两种情况都会形成晶界偏析。
MCrAlY合金为典型的多元合金，其凝固过程中很容易发生晶界偏析。由于钇在 γ 相中溶解度较低，在晶体凝固过程中钇会在晶体生长方向前沿富集。当钇含量较低时，固液界面前沿富集的钇可以及时扩散到剩余液相中[6]，从而枝晶可以迅速生长。但是，如果钇的含量过高，富集在固液界面前沿的钇不能及时扩散，会造成晶体向液相生长受阻，从而使晶粒生长方向发生弯曲，于是就形成了如图4a所示的鱼骨状枝晶。
粉末凝固过程与铸锭凝固过程相似，但是，由于粉末的凝固是在雾化气体急速膨胀造成的深度过冷下进行的，其凝固速率较高。
当钇含量不高时，凝固过程中钇未能及时扩散时已经凝固。但是当钇含量足够高时，钇仍能够于枝晶间发生偏聚。但是，如图 6 所示，相对于铸锭而言，粉末中偏聚相处的钇含量较低。
3 结论
（1）当钇含量为 0.62%时，铸锭组织中的枝晶呈细长条状；而当钇含量达到 1.40%时，铸锭组织中的枝晶呈现不规则鱼骨状。
（2）粉末的显微组织与铸锭相似。在钇含量为1.08%的粉末组织中发现了较明显的钇偏析，但在钇含量为 0.61%的粉末组织中，并未发现明显的钇偏析存在。
（3）粉末凝固过程与铸锭凝固过程相似。但是，雾化气体急速膨胀造成的深度过冷削弱的钇的偏析程度，造成了粉末中钇富集相中钇的含量较低。
参考文献略
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