Effect of Heat Treatment on Niobium Segregation翻译.docx
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热处理对激光熔覆IN718合金涂层铌偏析的影响
摘要：
IN718合金涂层是由大功率半导体激光熔覆制备的。
980sta标准热处理和直接时效（DA）用来改善这个涂层的性能。
对于沉积涂层和热处理后的涂层的铌偏析的研究需使用配备能量色散X射线谱（EDAX）的扫描型电子显微镜（SEM）。
结果表明，980sta标准热处理显著地提高了涂层的显微硬度，和Laves浓度从30.6%（体积比）降低至约11.4%经过980sta。
铌的含量在980staLaves处理涂层中高于DA处理涂层和涂层。
只有一小部分的铌在涂层中析出以“γ”相的形式存在在980sta热处理过程。
其余的铌参杂在固溶强化和组元Laves。
铌偏析促进了Laves的形成。
Ⅰ序言
IN718合金广泛应用于高温领域，如燃气轮机发电。
在IN718合金，铌是一种不溶性的合金元素且具有相对较低的弹性模量，熔融温度，和密度，以及大的原子直径。
铌提高了镍基合金的物理和化学性质，因为形成的拓扑密堆相（TCP）和几何封闭包装（GCP）相含有铌，如γ（Ni3，Nb），δ（Ni3Nb），和微细碳化物（MC）。
然而，块状或粗糙的Laves相与晶粒边境相连，形成的焊缝和铸件由于Nb的偏析使合金机械性能显著削弱。
此外，组织毗邻的脆性相可以先引发微裂纹和在拉伸应力或残余应力的作用下导致的初始断裂。
研究表明，形成Laves相要消耗大量铌，从而削弱基体和在标准热处理中降低了γ´´浓度降低。
但Nb偏析和其分布对热处理的强化效果在以前的文献很少中研究。
在这项研究中，IN718合金涂层是由由大功率半导体激光熔覆制备。
980sta标准热处理和直接时效（DA）被应用于涂层。
Nb的偏析和分布是通过对激光熔覆涂层沉积IN718合金采用显微组织观察和能量色散X射线光谱分析在热处理前后的研究的。
Ⅱ实验过程
涂料是由配备了同轴送粉嘴系统的3.5KwRofinDL-035Qq二极管激光熔覆准备。
纯氩（纯度99.99%）是用来使球形粉末通往熔池并且防止熔池被氧化和污染。
粉末的化学成分，采用等离子无孔旋转电机分析（如图1），在表Ⅰ中列出。
图1In718粉末形貌（PREP）
元素
粉末
涂层
AMS:
5663
Cr
19.2
19.25
17to21
Fe
18.1
22.5
16to20
Nb
4.92
4.42
4.75to5.5
Mo
3.19
3.1
2.8to3.3
Al
0.54
0.47
0.2to0.8
Ti
0.97
0.75
0.65to1.15
Mn
0.04
0.065
≤0.35
Si
0.2
0.27
≤0.35
B
0.004
—
—
Ni
其余
其余
其余
表1In718涂层和粉末元素含量
表2激光熔敷工艺参数
激光功率（W）
1500
运行速度（mm/s）
10
送粉量（g/min）
18
保护气流量（L/min）
15
重叠量
50%
Z方向增量（mm）
0.8
沉积涂层的制造有10层，每层有6道，涂层的尺寸是50mm×10mm×8mm。
（长度×宽度×高度）。
表Ⅱ是激光熔敷工艺参数。
激光熔敷之后需要进行标准的热处理（980STA）和DA。
表Ⅲ是热处理时间表。
使用C404高温示差扫描热量计观测熔化和涂层的金属间化合物相的析出温度。
在差热分析（DTA）的时候，一个圆柱试样Ф3mm×3mm被加热到1723（1450℃），然后在高纯氩气体保护下以10K/分钟的恒定速率冷却到室温。
用AxioCamMRC5光学显微镜（卡尔蔡司，科亨，德国）和配备有能量色散X射线谱仪（EDAX）JEM-7600F（日本电子公司，东京，日本）的场发射扫描电子显微镜（SEM）与kalling试剂蚀刻后（20毫升盐酸，20毫升乙醇和1gCuCl2）来观察其显微组织。
用EDAX对元素的分布进行分析。
在显微硬度试验中，显微硬度计负载4.9N在hvs-10维氏进行了15s的实验。
表3对涂层的两种热处理
980STA
DA
1+2
2
1:
980℃×1h，空冷
2:
720℃×8h，快速冷却至620℃×8h，空冷
Ⅲ实验结果
A.Laves相的识别
图2显示了涂层的显微组织的热处理的前后。
如图2（a）所示，沉积涂层的微观结构是由枝晶状和等轴晶组成。
枝晶的生长方向与热流损失是垂直于基材和涂层或相邻层的界面的方向，热流损失的方向和最大温度的梯度的方向是一致的。
因此，枝晶生长的方向在相邻层是相同的，垂直于相邻层的边界，和枝晶生长方向是倾斜于激光熔覆的最大温度梯度方向，如图3所示。
柱状晶延伸了几层。
经过980STA后，柱状晶和粗的树枝晶明显细化，和等轴晶的数量增加，如图所示图2（b）。
然而，DA只能稍微改善涂层的显微组织形态结构，如图2所示（C）。
图2a为In718涂层组织；b为980STA处理；c经DA处理后。
图3温度梯度和流动损失热方向示意图
如图2所示，沉积涂层和热处理后的涂层有大量的沉淀。
对沉淀进行EDAX能谱分析研究其化学成分。
图4是扫描电镜扫描区域（图4（a））和对沉淀EDAX能谱（图4（b））和基体沉积涂层的能谱（图4（c））。
沉积中Nb的浓度见表IV。
在沉积涂层析出的Nb超过了25%。
沉积中的高浓度Nb说明其实Laves相。
在IN718合金中，Nb的平均浓度约5%，在奥氏体基体中的Nb浓度一般为2至3%。
因此，可以得出结论，在Laves相中Nb的偏析会析出大量的Nb，减少了基体中Nb的量。
图4In718的涂层的能谱分析；aSEM观察区域；b析出物能谱；基材能谱；
图5给出了能谱线扫描沉积涂层的Laves相结果。
如图5所示，Nb和Mo的谱峰出现在Laves相析出时。
Nb和Mo在沉积中析出的说明Nb和Mo是Laves相的重要构成。
Laves通常被认为是A2B的形式，其中A一般为Ni，Fe，Cr，B代表了Mo，Nb，Ti。
图5EDAX分析线扫描的结果：
（a）扫描电镜区域，（b）Nb峰值，和（c）Mo峰。
B.定量金相的Laves浓度
对于大量的测量，每单位体积的表面的量约等于在特定相的总体积。
统计定量金相涂层中Laves的体积分数可以的其中的Laves浓度进行估计。
Laves浓度在涂层的不同区域的进行了研究，如图6所示。
图7代表了沉积涂层和热处理后的涂层的Laves的形态。
Laves的形态变得清晰和热处理之后Laves的浓度降低了。
灰色的SEM图像可以与通过MATLAB（MathWorks，Natick，MA）的一种特定阈值确定二值化为黑白图像。
白色部分是Laves相，黑色是奥氏体。
白色部分的面积分数对应于在SEM图像上的面积分数。
Laves在每个区域的体积分数（在表V）平均约为15%-20%。
定量金相统计结果表明，Laves的在体积浓度沉积涂层约30.6%，这是高于经过980STA处理后涂层的11.4%见表五。
Laves浓度对DA处理没有存在着显着影响。
图6涂层横截面
如图7所示（a），（d），和（g），沉积中Laves相的形态从较低的区域的枝晶状到上部区域的等轴晶。
不同区域的Laves相的浓度定量金相结果表明，上部区域的Laves浓度（图7（a）-（C））高于中部地区（图7（d）-（F））和下部区域（图7（G）-（I））。
图7不同的地方Laves浓度的变化：
a涂层上部；b980STA处理涂层上部；cDA处理涂层上部；d涂层中部；e980STA处理涂层中部；fDA处理涂层中部；g涂层下部；h980STA处理涂层下部；iDA处理涂层中部；
C.Laves相中的Nb偏析
经由980STA标准热处理之后Laves降低，在热处理中Laves相中的Nb又溶解回到基体然后形成沉淀强化相γ´´-Ni3Nb。
平均显微硬度经由980STA处理涂层的平均维氏硬度由252HV提高到沉积涂层495HV，如图8所示（a）。
为了揭示在热处理剩余Laves中Nb的分布，对涂层不同区域进行Nb能谱分析，如表Ⅵ。
表Ⅵ是Laves的化学成分，与IN718合金相比，几乎找不到Ni，Fe，Cr，却含有丰富的Nb，Mo，Ti，Si。
因此，在枝晶间区域Nb，Mo，Ti偏析的越多，Laves结晶的体积分数就越高。
热处理中Laves减少，Nb在Laves中上部区域多于较低的区域，在热处理后的涂层的不同部位Nb浓度高于其沉积涂层。
图8In718涂层显微硬度测试a为处理后，b为涂层显微硬度
表4在图4a中Nb在基材和析出相的浓度（质量）
谱图
Nb含量
1
28.16
2
28.48
3
25.44
4
28.42
5
2.61
表5Lave相在不同区域的浓度
涂层
DA
980STA
上部
33.6
31.2
14.4
中部
30.3
30.5
12.9
下部
26.4
26.6
9.8
总共
30.6
29.8
11.4
表6Laves相中各元素在热处理前后浓度
涂层
DA
980STA
上部
中间
下部
上部
中间
下部
上部
中间
下部
Si
1.05
0.89
0.89
0.82
1.36
1.07
1.63
2.00
1.49
Nb
21.05
20.12
17.48
26.56
22.18
17.38
27.05
20.94
19.65
Mo
6.41
7.04
5.74
6.47
7.48
7.08
9.58
11.05
9.03
Ti
1.95
1.74
1.74
4.24
1.67
1.41
1.91
1.25
1.65
Al
0.78
0.55
0.50
0.35
0.32
0.32
0.43
0.41
0.54
Cr
14.52
14.79
14.29
13.13
14.18
16.09
12.90
13.85
12.97
Fe
13.65
14.11
19.02
12.69
14.36
16.53
12.43
13.92
14.13
Ni
40.65
40.77
40.35
35.73
38.45
40.13
34.07
36.59
40.53
IV.讨论
Laves相是一种具有广泛的的熔化温度从923K到1373K的沉淀温度（650℃-1100℃）的TCP，其上限熔融沉淀温度和成分有关。
为了研究Laves相的上限熔化和沉积s温度，进行了沉积涂层的DTA实验，如图9所示。
图9表明，IN718合金涂层相变的熔化过程（左）和凝固的过程（右部分）。
相变温度由分化的DTA曲线的斜率的极端值确定。
反应热是伴随着相变反应。
通过测试样品和标准样品反应热的区别的可确定相变温度。
Laves的稀释的反应在加热部分的第一反应峰值约1403K（1130℃），然后MC在1550K（1277℃）。
在冷却部分，液体转化为γ固相发生在约1592K的温度（1319℃），共晶型反应L到（γ+Laves）的终端凝固过程发生在1421K（1148℃）。
由于组分过冷使的相的熔化温度和沉积温度是不一样的。
Laves相的980STA和DA处理温度在它的熔化和沉积温度之间；980STA和DA处理可降低涂层中的Laves浓度，但不能消除所有Laves。
对Laves在不同区域进行EDAX统计分析得出，在Laves中增加铌含量随着热处理温度情况，如在表六。
根据定量金相Laves结果，在热处理过程中我们看出Nb几乎不扩散到基体。
在所有的IN718合金元素中铌有是最大的原子直径且不溶性的元素。
随着合金元素的原子半径差的增加，晶格畸变程度和畸变引起的能量也会改变。
因此，Nb元素比合金合金中其他元素扩散需要更多的活化能。
此外，热处理的涂层是沉积涂层的显微硬度几乎是两倍。
结果表明，在热处理过程中少量的Nb以γ-ni3nb形式在析出，和其他的Nb元素有固溶强化的作用。
提高原子和阻碍扩散转变之间的结合力会使在枝晶间区域铌元素严重偏析和在激光熔敷终止过程形成Laves，Nb元素改变集体的晶格常数来改善其力学性能。
涂层的低区的显微硬度高于上部区域，如图8（b）。
激光的热辐射和热传导从熔池温度1473K到2876K（1200℃-2600℃]对Laves在较低的地区起热处理作用，延长涂层的过程中使Laves浓度在减少。
此外，980STA处理后涂层的显微硬度显著改善，在980sta处理过程中Laves在处理涂层中是明显减少。
因此，可以通过降低Laves浓度来改善涂层的显微硬度。
图9In718涂层DTA差热分析
在DA处理过程中，IN718合金的主要强化相γ´´降低显著。
显微硬度测试结果表明，980STA处理效果要优于DA处理效果。
图10说明了IN718合金涂层在980STA处理之前和之后的TEM明场像。
如图10（b），γ´´相在980STA处理涂层中发现，在沉积涂层并没有找到（图10（a））。
结合图7的结果，我们知道只有一小部分的Nb元素在Laves溶解到奥氏体析出，在热处理中γ´´中减少很多。
γ´´的尺寸大约是10nm×30nm。
γ´´能使奥氏体γ失配，γ´´/γ失配比其他的镍基合大得多。
γ´´/γ失配产生的相关的应力改善了合金的屈服强度和显微硬度。
图10In718涂层TEM，a为涂层组织，b为980处理后，c为b中析出的SAD
Ⅴ结论
1、激光熔覆IN718合金涂层使柱状Laves相沉淀。
其生长方向垂直于两个相邻的边界层。
Nb元素在Laves相中大量析出，在基体中很少。
2、980STA标准热处理可以细化涂层的显微组织。
980STA能溶解部分Laves相，但DA只能很小地改变其Laves浓度。
热处理后Laves中的Nb的平均浓度增加，激光的热辐射和热传导使熔池上部Nb的浓度高于其较低的区域。
980STA处理后涂层的平均显微硬度达到495HV。
3、随着强化相的组成在IN718合金涂层只有一小部分的Nb沉淀。
剩余的Nb主要起固溶强化作用和在激光熔敷过程中以Laves相的形式析出。
致谢
作者非常感谢中华人民共和国科学技术部（批准号No.2009DFB50350）和中国自然科学基金（批准号No.：
50971091）的支持。
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