王博,张军
西北工业大学凝固技术国家重点实验室 西安 710072
摘要
通过对3种不同W含量(6%、7%、8%,质量分数)的第三代镍基单晶高温合金铸态、热处理态和热暴露后的组织观察和成分分析,研究了W对元素偏析、热处理组织及热暴露过程中组织演化的影响。结果表明：W含量的提高对合金元素的铸态偏析、完全热处理后的γ′相形貌、尺寸和体积分数均无明显影响。在950 ℃热暴露过程中,W含量的提高抑制了γ′相的粗化,但加速了γ′相的连接变形。3种合金在热暴露过程中析出的TCP相主要为μ相和σ相,且TCP相析出量随W含量的增加而缓慢增大。此外,3种合金在1000 ℃热暴露时TCP相析出量最大,在950 ℃热暴露时次之,在1050 ℃热暴露时析出量最小。
关键词：
镍基单晶高温合金具有优异的高温性能,广泛用于制造航空发动机及地面燃气轮机涡轮叶片等关键热端部件[1,2]。增加合金中W、Re、Ta、Mo等难熔元素的含量可有效提高其承温能力,特别是Re的引入已成为先进镍基单晶高温合金发展的主要特征,然而由此引起的组织稳定性下降也成为合金加工和服役过程中面临的一个关键问题,是合金设计时必须考虑的重要因素[3~5]。相关研究[6]表明,难熔元素W、Mo和Re在镍基单晶合金中主要起固溶强化作用。其中Mo的固溶强化作用较弱,并且会促进拓扑密排相(TCP相)的析出,但能够抑制次生反应区(SRZ)的形成,因此其含量被控制在3%以下[7]。Re会强烈促进TCP相的析出,但具有非常好的固溶强化效果,因此在合金发展过程中,Re的含量持续增大[8~11]。为充分发挥Re的固溶强化作用,同时能够抑制TCP相的析出,Ru被进一步引入到合金中,目前已成为各国学者研究的热点[12~15]。W同Re一样,具有很好的固溶强化作用,同时在含Re单晶合金中,W在枝晶干的偏析程度低于Re,且在γ和γ′两相的分配比也低于Re,相较于Re更有利于组织稳定[16]。
科研人员关于W对镍基高温合金微观组织及其稳定性的影响进行了相关研究。在无Re合金中,Nathal和Ebert[17]研究认为W主要富集在γ′相中。田素贵等[18]也认为W富集在γ′基体中,且随着W含量的增加,γ/γ′相的错配度由负向正转变。而Sudbrack等[19]在Ni-Al-Cr合金中加入W后发现,γ′相由球形向立方形转变,认为W主要富集在γ相中。Amouyal等[20]研究认为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等复杂合金中则富集在γ相中。郑运荣[21]通过长期热暴露实验研究了一系列不同W含量的无Re合金的组织稳定性,认为合金中W含量超过一定范围会引发TCP相的析出。而在含Re合金中,关于W在γ/γ′两相如何分配的研究还较少,已有研究也存在一些争议[11,16]。针对合金的组织稳定性,Rae和Reed[22]从σ相的形核角度对比研究了Mo/W比对TCP相析出的影响。以上研究工作主要集中在无Re合金中W在γ/γ′两相中如何分配以及W对γ/γ′相错配度及γ′相形貌的影响,有关W对合金在高温下长时组织稳定性的影响也集中在无Re的合金体系。而在含Re的单晶合金中,有关W在γ/γ′两相的分配以及W含量对组织稳定性的研究相对薄弱,需要进一步研究。
因此,结合以W代Re的合金设计思路,研究W对含Re第三代镍基单晶高温合金微观组织及其稳定性的影响,对于优化合金成分、发掘合金潜力,进而开发成本低、组织稳定且高温性能能够达到三代甚至四代单晶的无Ru低Re合金具有重要意义。本工作通过对比分析3种不同W含量镍基单晶高温合金的长期热暴露结果,研究W含量对第三代镍基单晶高温合金组织稳定性,包括γ′相形貌、粗化以及TCP相析出量的影响,并讨论了相关机制,为提高合金的组织稳定性及合金设计工作提供依据。
实验自主设计了3种难熔元素总量在20%~22%的第三代镍基单晶高温合金,其中W含量分别为6%、7%和8%,其余合金元素含量相同,依次命名为S1、S2和S3。单晶试棒(直径7 mm,长80 mm)通过高温度梯度定向凝固-液态金属冷却法制备而成,抽拉速率100 μm/s,温度梯度250 ℃/cm。合金化学成分采用原子吸收分光光度法测定,具体化学成分如表1所示。
合金固溶处理制度为：1300 ℃、3 h→1318 ℃、7 h→1328 ℃、12 h→1333 ℃、24 h、AC (空冷)。时效处理制度为：1170 ℃、4 h、AC→870 ℃、24 h、AC。合金经固溶和时效处理后,分别在950、1000和1050 ℃下进行时长为50、100、200、500和1000 h的热暴露。此外,还对部分固溶后试棒进行如下热处理: 在1240 ℃保温4 h,以10 ℃/h降温到1140 ℃保温4 h、AC,以析出大尺寸γ′相,便于其成分测定。对铸态、完全热处理态和热暴露后的单晶试棒沿垂直于[001]方向的横截面取样。需要腐蚀的试样采用体积比为HNO3∶HF∶C3H8O3=1∶2∶4的金相腐蚀液进行腐蚀。采用JAX-8100型电子探针(EPMA)对合金枝晶干和枝晶间的成分,以及γ和γ′相的成分进行测量,每个区域至少选取5个点测量;采用Tecnai G2F30型透射电子显微镜(TEM)对TCP相进行选区电子衍射分析(SADP)并标定其类型;采用SUPRA 55型场发射扫描电子显微镜(FESEM)对合金微观组织进行观察。采用点分析法测量γ′相体积分数及TCP相面积分数,采用Image-Pro软件测量γ′相尺寸,每个热暴露时间段统计的γ′相数量均大于300个,取其平均值后用LSW公式[23]对γ′相尺寸和热暴露时间进行拟合。由于镍基单晶高温合金成分偏析的影响,枝晶干和枝晶间的显微组织形貌有一定差别。为便于比较和讨论,本工作所述显微组织均为合金枝晶干处的组织。
表13种实验合金的化学成分
Table 1Initial chemical compositions of three alloys (mass fraction / %)
(1) 在第三代镍基单晶高温合金中,W含量的提高对合金元素的铸态偏析无明显影响,对完全热处理后的γ′相形貌、尺寸和体积分数也无显著影响。
(2) 在950 ℃热暴露过程中,W含量的提高促进了γ′相的连接变形,但是抑制了γ′相的粗化。
(3) 3种合金在热暴露过程中析出的TCP相主要为μ相和σ相。合金中TCP相含量随着W含量的增加缓慢增大。
(4) 3种合金在950、1000和1050 ℃热暴露1000 h后均有TCP相析出,其含量在1000 ℃热暴露时最大,950 ℃时次之,在1050 ℃时最小。
,潘雪娇,黄太文,刘林,傅恒志
1 实验方法
4 结论
来源--金属学报