淺析鎳基合金為什么會容易產生偏析缺陷

    鎳基合金，顧名思義是以鎳元素為基體添加其它合金元素形成的金屬材料。上通常稱其為Superalloy，即超合金。國內習慣上稱其為高溫合金。一般鎳含量30%以上的鐵鎳合金通常也稱作鎳基合金。

    鎳基合金的成分特點就是，添加的合金元素種類多，合金元素含量高。鎳基合金含有十多種元素，有的甚至二三十種元素。各種元素在鎳基合金中發揮的作用不同（表1）。當然有些雜質元素（硫、磷、硅、錳）、氣體元素（氧、氮）、有害元素（鉛、砷、錫、銻、鉍、硒、碲、砣等）并非有意添加的，而是添加主元素時由金屬料或鐵合金帶入的，這些雜質元素、氣體和有害元素是應當避免，或者盡可能降低其含量。

    鎳基合金所含的二三十種元素，各自的熔點相差很大（圖1），固溶強化元素W、Mo、Nb、Ta的熔點遠高于Ni、Co、Fe基體元素，而雜質元素S、P，以及有害元素Pb、As、Sn、Sb、Bi、Se等元素熔點則很低。另外不同元素的原子直徑及其在鎳基體中的溶解度有很大差異（圖2）。這樣一來，即使液態成分非常均勻的材料，在凝固過程中由于選分結晶也會產生偏析。所謂選分結晶，指的是固溶體合金結晶時固相成分與液相的成分不同。合金凝固過程中以樹枝晶形式生長，溶質原子在枝晶干與枝晶間（液相）之間重新分配。這種溶質原子的重新分配程度通常用分配系數來表達。不同鎳基合金中各元素的分配系數是有差異的。換句話說，不同合金凝固時枝晶干和枝晶間的元素濃度都不一樣。這就是鎳基合金產生成分偏析缺陷的根本原因。合金元素含量越高，越容易出偏析，且偏析程度也越嚴重。

    對于鎳基合金而言，微觀偏析是存在的。而宏觀偏析應該是嚴格禁止的。因為偏析缺陷直接影響材料的使用性能。宏觀偏析在材料的低倍檢驗中可以識別出來。ASTM A604標準中給出了低倍檢驗不同類型和不同嚴重程度的宏觀偏析缺陷。這些缺陷包括黑斑、白斑、徑向偏析、環狀花樣。通常嚴重程度A以外的宏觀偏析缺陷是不能被用戶所接受的。現在鎳基合金都是采用雙重熔煉工藝生產的。材料的偏析程度取決于選用VAR還是ESR，ESR熔煉的鑄錠與結晶器之間渣皮阻隔熔池散熱，偏析傾向大。偏析程度還取決于所選用的錠型大小，鑄錠直徑越大偏析傾向越嚴重。偏析程度還取決于重熔工藝參數的確定。想要熔煉出低偏析、綜合性能滿足使用要求的鎳基合金，需要工程師很十幾年的經驗積累。