Al含量對(duì)鎳基單晶高溫合金組織和持久性能的影響

史振學(xué)， 劉世忠

（北京航空材料研究院先進(jìn)高溫結(jié)構(gòu)材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100095）

γ′相是高溫合金的主要強(qiáng)化相，是以Ni3Al為基的金屬間化合物，其體積分?jǐn)?shù)、形狀和尺寸影響合金的性能[1-2].高溫合金之所以在高溫下保持高強(qiáng)度主要依靠γ′的沉淀強(qiáng)化作用.Al是鎳基單晶高溫合金中重要的元素，主要形成γ′沉淀相.Al能提高合金表面穩(wěn)定性，有利于提高合金的抗氧化性能[3].Al有助于合金獲得合適的鑄造性能、熱處理性能、相穩(wěn)定性、高力學(xué)性能，過量的Al增加合金的共晶含量，熱處理時(shí)不能完全溶解進(jìn)而降低合金的強(qiáng)度[4].過量的Al降低Ta、W、Mo、Nb等固溶元素的加入量，對(duì)高溫性能不利.目前國(guó)內(nèi)外典型第2代、第3代單晶高溫合金的Al含量 （質(zhì)量分?jǐn)?shù)）一般為5.6%～6.2%，如合金DD6[5]、DD9[6]、PWA1484[7]、Ren éN5[8]、RenéN6[9]、CMSX-4[10]、C MSX-10[11]、TMS-75[12]的 Al含量分別為 5.6%（指質(zhì)量分?jǐn)?shù)， 下同）、5.6%、5.6%、6.2%、5.75%、5.6%、5.7%、6.0%，為認(rèn)識(shí)Al在一種單晶高溫合金中的作用和Al的較優(yōu)加入量，文中研究了不同Al含量對(duì)合金組織及穩(wěn)定性的影響，以期對(duì)合金成分優(yōu)化和應(yīng)用提供參考數(shù)據(jù).

1 試樣制備和試驗(yàn)方法

在真空單晶爐中采用選晶法制備了2種不同Al含量的單晶高溫合金試棒，Al含量分別為5.6%和6.0%，其它合金元素含量相同，2種單晶合金的化學(xué)成分見表1.用X射線衍射儀測(cè)試單晶高溫試棒的晶體取向，選取[001]取向偏離度15°以內(nèi)的試棒進(jìn)行試驗(yàn).2種合金以相同的工藝進(jìn)行熱處理，熱處理工藝如下：1 300℃/1 h+1 310℃/2 h+1 320℃/2 h+1 330℃/4 h/空冷+1 120℃/4 h/空冷 +870℃/20 h/空冷.熱處理后分別在1 040℃長(zhǎng)期時(shí)效200 h、400 h、600 h、800 h.采用掃描電鏡研究不同狀態(tài)下合金的顯微組織.在1 070℃/140 MPa條件下測(cè)試不同Al含量單晶高溫合金的持久性能.

表1 不同Al含量合金的化學(xué)成分/（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 1 Nominal chemical compositions of the alloy with different Al/（mass fraction,%）

2 結(jié)果與分析

2.1 合金共晶含量

圖1所示為不同Al含量合金共晶組織.經(jīng)面積法計(jì)算5.6%Al和6.0%Al合金中的共晶含量分別為9.2%和10.5%.從圖1中可以看出，隨著單晶高溫合金中Al含量由5.6%增加6.0%Al，共晶尺寸稍有變大，共晶含量略有增加.在單晶高溫合金凝固過程中，溶質(zhì)再分配導(dǎo)致合金元素枝晶偏析.枝晶干含有較多的Re、W、Mo等元素，而枝晶間含有較多的Al、Hf、Ta等元素[13].當(dāng)枝晶間液相成分達(dá)到共晶相成分時(shí)，析出共晶組織.Al作為γ′相形成元素，隨著Al含量增加，枝晶間液相達(dá)到共晶相成分其體積分?jǐn)?shù)升高，因而凝固結(jié)束后形成的共晶尺寸增大，含量增多.這與單晶高溫合金中增加Hf含量的共晶變化趨勢(shì)相同[14].

圖1 不同Al含量合金的γ/γ′共晶組織Fig.1 Eutectic morphologies of the alloy with different Al content

2.2 熱處理組織

圖2所示為不同Al含量合金的熱處理組織.合金經(jīng)過固溶處理保溫過程中，全部消除了粗大γ′相和共晶組織，變?yōu)閱蜗唳媒M織.冷卻時(shí)γ相中析出細(xì)小大量的γ′相，再經(jīng)過2級(jí)時(shí)效處理，形成尺寸適中立方化較好的γ′相組織.由圖2可以看出，不同區(qū)域γ′組織大小和分布不均勻，枝晶干區(qū)域?yàn)榧?xì)小立方形態(tài)規(guī)則的γ′相，枝晶間區(qū)域?yàn)榇执罅⒎叫螒B(tài)不規(guī)則的γ′相.在單晶合金熱處理冷卻過程中，γ′相主要是由過飽和的γ相中析出的.經(jīng)過固溶處理枝晶偏析雖然減輕但仍然存在，枝晶間含有較多的γ′形成元素，因而枝晶間的γ′相比枝晶干有相對(duì)較高的過飽和度，枝晶間的γ′相的長(zhǎng)大驅(qū)動(dòng)力比枝晶干的大，因而枝晶間的γ′相尺寸較大且不規(guī)則.這與其它單晶高溫合金具有相同的枝晶干與枝晶間熱處理組織差異特征[15,16].隨著Al含量增加，枝晶干的γ′相無明顯變化，而枝晶間的γ′相尺寸增加.因?yàn)锳l偏析于合金的枝晶間，Al含量增加，γ′相長(zhǎng)大驅(qū)動(dòng)力高，因而其尺寸較大.

圖2 不同Al含量合金的熱處理組織Fig.2 Heat treatment microstructure of the alloy with different Al content

2.3 合金長(zhǎng)期時(shí)效組織

圖3所示為5.6%Al合金在1 040℃時(shí)效200 h、400 h、600 h、800 h后枝晶干和枝晶間組織.由圖3看出，200 h、400 h時(shí)效處理后，合金無TCP相析出，枝晶干和枝晶間的γ′相長(zhǎng)大，但仍保持立方狀，γ相基體通道變寬.600 h、800 h時(shí)效后，合金枝晶有少量TCP相析出，枝晶干和枝晶間的γ′相進(jìn)一步長(zhǎng)大，仍保持立方狀，γ相基體通道變寬.長(zhǎng)期時(shí)效過程中，γ′相變化規(guī)律符合LSW粗化理論，較大尺寸的γ′相逐漸長(zhǎng)大，較小尺寸的γ′相漸漸溶解消失[17].

圖4所示為6.0%Al合金在1 040℃時(shí)效200 h、400 h、600 h、800 h后枝晶干和枝晶間組織.由圖4看出，200 h時(shí)效處理后，合金枝晶干析出TCP相，枝晶干和枝晶間的γ′相長(zhǎng)大，但基本上仍保持立方狀，γ相基體通道變寬.時(shí)效400 h后，合金枝晶干的γ′相進(jìn)一步長(zhǎng)大，仍保持立方狀，枝晶間的γ′相長(zhǎng)大合并成筏排狀，γ相基體通道變寬.時(shí)效600 h、800 h后，枝晶干析出的TCP相增多，γ′相長(zhǎng)大仍為立方形狀，枝晶間筏排組織更加粗大，γ相基體通道進(jìn)一步變寬.

對(duì)不同Al含量合金長(zhǎng)期時(shí)效γ相基體通道寬度進(jìn)行了定量分析，分析結(jié)果見表2.結(jié)果表明，隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，不同Al含量合金枝晶干、枝晶間的γ相基體通道寬度增加.

對(duì)不同Al含量合金長(zhǎng)期時(shí)效800 h后TCP相進(jìn)行了能譜分析，分析結(jié)果見表3.結(jié)果表明，析出相中含Co、Re、W等元素.由圖3、圖4看出，TCP相優(yōu)先在合金的枝晶干析出，這是由于合金完全熱處理后，枝晶偏析不能夠完全消除，枝晶干仍含有較多的Re、W等負(fù)偏析元素[18].合金中TCP相的析出是由于合金γ基體中的Re、W等強(qiáng)化元素過飽和導(dǎo)致的[19]，Re、W等元素為TCP相形成元素，因此TCP相優(yōu)先在合金的枝晶干析出.隨著時(shí)效時(shí)間增加，TCP相由枝晶干向枝晶間延伸長(zhǎng)大.

對(duì)比2種合金時(shí)效組織可以看出，隨著Al含量增加，TCP相析出速率和析出量增加，這表明Al含量高的單晶高溫合金組織穩(wěn)定性變差.這是由于Al為γ′相形成元素，隨著Al含量增加，合金的γ′相體積分?jǐn)?shù)增加，則γ相體積分?jǐn)?shù)相對(duì)減少，而γ相形成元素不變，這就使γ相中Re、W等元素的過飽和程度增加，導(dǎo)致合金的組織穩(wěn)定性變差.對(duì)比還可看出，隨著Al含量增加，枝晶間γ′相筏排化程度增加.合金長(zhǎng)期時(shí)效過程中筏排化的驅(qū)動(dòng)力為γ、γ′兩相的錯(cuò)配度[20].由于Al增加了合金枝晶間的錯(cuò)配度，長(zhǎng)期時(shí)效過程中使合金容易筏排化.

圖3 5.6%Al合金在1 040℃時(shí)效不同時(shí)間的組織Fig.3 Microstructures of 5.6%Al alloy after long term aging for different time at 1 040℃

2.4 合金持久性能

不同Al含量合金在1 070℃/140 MPa條件下的持久性能見表4.由表4可以看出，隨著Al含量的增加，合金的壽命增加，延伸率和斷面收縮率降低.由前面分析看出，Al作為γ′相形成元素，隨著Al含量增加，合金中γ′強(qiáng)化相的體積分?jǐn)?shù)增加，使合金的持久壽命增加，而持久延伸率和斷面收縮率相對(duì)減小.

圖4 6.0%Al合金在1 040℃時(shí)效不同時(shí)間的組織Fig.4 Microstructures of 6.0%Al alloy after long term aging for different time at 1 040℃

表2 長(zhǎng)期時(shí)效對(duì)5.6%Al和6.0%Al合金γ相基體通道寬度的影響Table 2 Effect of long term aging on the γ matrix channel width in the 5.6%Al alloy and 6.0%Al alloy

表3 5.6%Al和6.0%Al合金長(zhǎng)期時(shí)效800 h后析出TCP相的化學(xué)成分 /（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 3 Chemical composition of TCP phase in the 5.6%Al alloy and 6.0%Al alloy after long term aging for 800 h/（mass fraction,%）

表4 5.6%Al和6.0%Al合金在1 070℃/140 MPa條件下的持久性能Table 4 The stress rupture properties of 5.6%Al alloy and 6.0%Al alloy at 1 070℃/140 MPa

3結(jié) 論

1）隨著Al含量增加，合金鑄態(tài)組織中的共晶含量增加，熱處理組織枝晶干γ′相無明顯變化，枝晶間的γ′相稍有增大.

2）隨著Al含量增加，合金時(shí)效組織中TCP相析出量增加，枝晶間γ′相筏排化傾向增加，合金的組織穩(wěn)定性變差.

3）隨著Al含量增加，合金的持久壽命增加，延伸率和斷面收縮率減小.