王博,張軍,潘雪嬌,黃太文,劉林,傅恒志

西北工業大學凝固技術國家重點實驗室 西安 710072

摘要

關鍵詞：鎳基單晶高溫合金;組織穩定性;Wγ′相;TCP相

鎳基單晶高溫合金具有優異的高溫性能,廣泛用于制造航空發動機及地面燃氣輪機渦輪葉片等關鍵熱端部件[1,2]。增加合金中W、Re、Ta、Mo等難熔元素的含量可有效提高其承溫能力,特別是Re的引入已成為先進鎳基單晶高溫合金發展的主要特征,然而由此引起的組織穩定性下降也成為合金加工和服役過程中面臨的一個關鍵問題,是合金設計時必須考慮的重要因素[3~5]。相關研究[6]表明,難熔元素W、Mo和Re在鎳基單晶合金中主要起固溶強化作用。其中Mo的固溶強化作用較弱,并且會促進拓撲密排相(TCP相)的析出,但能夠抑制次生反應區(SRZ)的形成,因此其含量被控制在3%以下[7]。Re會強烈促進TCP相的析出,但具有非常好的固溶強化效果,因此在合金發展過程中,Re的含量持續增大[8~11]。為充分發揮Re的固溶強化作用,同時能夠抑制TCP相的析出,Ru被進一步引入到合金中,目前已成為各國學者研究的熱點[12~15]。W同Re一樣,具有很好的固溶強化作用,同時在含Re單晶合金中,W在枝晶干的偏析程度低于Re,且在γ和γ′兩相的分配比也低于Re,相較于Re更有利于組織穩定[16]。

科研人員關于W對鎳基高溫合金微觀組織及其穩定性的影響進行了相關研究。在無Re合金中,Nathal和Ebert[17]研究認為W主要富集在γ′相中。田素貴等[18]也認為W富集在γ′基體中,且隨著W含量的增加,γ/γ′相的錯配度由負向正轉變。而Sudbrack等[19]在Ni-Al-Cr合金中加入W后發現,γ′相由球形向立方形轉變,認為W主要富集在γ相中。Amouyal等[20]研究認為W在Ni-Al-W三元合金中富集在γ′相中,在Ni-Al-W-Cr和Ni-Al-W-Cr-Ta等復雜合金中則富集在γ相中。鄭運榮[21]通過長期熱暴露實驗研究了一系列不同W含量的無Re合金的組織穩定性,認為合金中W含量超過一定范圍會引發TCP相的析出。而在含Re合金中,關于W在γ/γ′兩相如何分配的研究還較少,已有研究也存在一些爭議[11,16]。針對合金的組織穩定性,Rae和Reed[22]從σ相的形核角度對比研究了Mo/W比對TCP相析出的影響。以上研究工作主要集中在無Re合金中W在γ/γ′兩相中如何分配以及W對γ/γ′相錯配度及γ′相形貌的影響,有關W對合金在高溫下長時組織穩定性的影響也集中在無Re的合金體系。而在含Re的單晶合金中,有關W在γ/γ′兩相的分配以及W含量對組織穩定性的研究相對薄弱,需要進一步研究。

因此,結合以W代Re的合金設計思路,研究W對含Re第三代鎳基單晶高溫合金微觀組織及其穩定性的影響,對于優化合金成分、發掘合金潛力,進而開發成本低、組織穩定且高溫性能能夠達到三代甚至四代單晶的無Ru低Re合金具有重要意義。本工作通過對比分析3種不同W含量鎳基單晶高溫合金的長期熱暴露結果,研究W含量對第三代鎳基單晶高溫合金組織穩定性,包括γ′相形貌、粗化以及TCP相析出量的影響,并討論了相關機制,為提高合金的組織穩定性及合金設計工作提供依據。

1 實驗方法

實驗自主設計了3種難熔元素總量在20%~22%的第三代鎳基單晶高溫合金,其中W含量分別為6%、7%和8%,其余合金元素含量相同,依次命名為S1、S2和S3。單晶試棒(直徑7 mm,長80 mm)通過高溫度梯度定向凝固-液態金屬冷卻法制備而成,抽拉速率100 μm/s,溫度梯度250 ℃/cm。合金化學成分采用原子吸收分光光度法測定,具體化學成分如表1所示。

合金固溶處理制度為：1300 ℃、3 h→1318 ℃、7 h→1328 ℃、12 h→1333 ℃、24 h、AC (空冷)。時效處理制度為：1170 ℃、4 h、AC→870 ℃、24 h、AC。合金經固溶和時效處理后,分別在950、1000和1050 ℃下進行時長為50、100、200、500和1000 h的熱暴露。此外,還對部分固溶后試棒進行如下熱處理: 在1240 ℃保溫4 h,以10 ℃/h降溫到1140 ℃保溫4 h、AC,以析出大尺寸γ′相,便于其成分測定。對鑄態、完全熱處理態和熱暴露后的單晶試棒沿垂直于[001]方向的橫截面取樣。需要腐蝕的試樣采用體積比為HNO3∶HF∶C3H8O3=1∶2∶4的金相腐蝕液進行腐蝕。采用JAX-8100型電子探針(EPMA)對合金枝晶干和枝晶間的成分,以及γ和γ′相的成分進行測量,每個區域至少選取5個點測量;采用Tecnai G2F30型透射電子顯微鏡(TEM)對TCP相進行選區電子衍射分析(SADP)并標定其類型;采用SUPRA 55型場發射掃描電子顯微鏡(FESEM)對合金微觀組織進行觀察。采用點分析法測量γ′相體積分數及TCP相面積分數,采用Image-Pro軟件測量γ′相尺寸,每個熱暴露時間段統計的γ′相數量均大于300個,取其平均值后用LSW公式[23]對γ′相尺寸和熱暴露時間進行擬合。由于鎳基單晶高溫合金成分偏析的影響,枝晶干和枝晶間的顯微組織形貌有一定差別。為便于比較和討論,本工作所述顯微組織均為合金枝晶干處的組織。

4 結論

(1) 在第三代鎳基單晶高溫合金中,W含量的提高對合金元素的鑄態偏析無明顯影響,對完全熱處理后的γ′相形貌、尺寸和體積分數也無顯著影響。

(2) 在950 ℃熱暴露過程中,W含量的提高促進了γ′相的連接變形,但是抑制了γ′相的粗化。

(3) 3種合金在熱暴露過程中析出的TCP相主要為μ相和σ相。合金中TCP相含量隨著W含量的增加緩慢增大。

(4) 3種合金在950、1000和1050 ℃熱暴露1000 h后均有TCP相析出,其含量在1000 ℃熱暴露時最大,950 ℃時次之,在1050 ℃時最小。

來源--金屬學報