長(zhǎng)期時(shí)效對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)葉片用鎳基高溫合金微觀組織的影響

王磊

摘 ?要：燃?xì)廨啓C(jī)功率的不斷提高，其技術(shù)依據(jù)是提高透平初溫，所以，在這個(gè)過程中，就相應(yīng)地提高了對(duì)于葉片材料的承溫能力要求。就以當(dāng)前設(shè)備中的初溫水平來看，透平動(dòng)、靜葉部分的材料大多為鎳基高溫合金，該材料的耐高溫性較好。隨著工藝水平的提高，進(jìn)氣溫度也在升高，部分設(shè)備的進(jìn)氣溫度甚至已經(jīng)接近合金材料熔點(diǎn)的80%，這對(duì)材料的使用年限造成了一定的影響。如果對(duì)材料的使用年限沒有準(zhǔn)確的估計(jì)，則會(huì)影響設(shè)備運(yùn)行的安全性。

關(guān)鍵詞：鎳基高溫合金;長(zhǎng)期時(shí)效;碳化物

燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況特殊，所以也給材料的性能提出了較高的要求，其中鎳基高溫合金的應(yīng)用比重很高。在高溫環(huán)境下，鎳基高溫合金仍然可以發(fā)揮出較好的使用效果，比其他材料更適合在高溫環(huán)境下長(zhǎng)期工作，加之其具有較強(qiáng)的抗腐蝕性能，所以是一種非常重要的零部件，在冶金業(yè)界倍受關(guān)注。本文針對(duì)其長(zhǎng)期時(shí)效下的微觀組織影響情況進(jìn)行了分析和總結(jié)。

1 鎳基合金簡(jiǎn)介

鎳基合金材料是一種有良好高溫性能的合金材料，該材料的基體是鎳，在近1000℃的環(huán)境下仍然可以保持良好的強(qiáng)度以及抗氧化能力。鎳基合金的發(fā)展是以Cr20Ni80為基礎(chǔ)的，為了增加材料的抗高溫能力而在其中加入了大量的元素起到強(qiáng)化效果，如Mo、Ti、Co、Nb等等，和其他合金材料相比，鎳基合金不僅僅在高溫性能上存在優(yōu)勢(shì)，同時(shí)在抗氧化、腐蝕能力上也尤為出色。鎳基合金以其優(yōu)異的應(yīng)用性能，在我國(guó)的航空領(lǐng)域、汽車制造行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。隨著時(shí)代的發(fā)展和技術(shù)工藝的進(jìn)步，人們對(duì)鎳基合金的應(yīng)用性能也提出了更高的要求，學(xué)界也在研究鎳基合金的加工新工藝，如等溫鍛造和和擠壓變形等等。

2 長(zhǎng)期時(shí)效下鎳基合金微觀組織的影響

2.1 材料制備及實(shí)驗(yàn)方法

合金名義成分為0.1C，15Cr，lOCo，4W，2Mo，5Ta，4A1，微量B+Zr+Hf，余量為Ni，實(shí)驗(yàn)合金在真空定向結(jié)晶爐內(nèi)經(jīng)感應(yīng)熔煉后澆注為定向柱晶試棒，經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)熱處理后分別在電爐中經(jīng)800℃、850℃、900℃長(zhǎng)期時(shí)效處理，每個(gè)溫度下時(shí)效時(shí)間設(shè)定為1000h、3000h、5000h。試樣取定向鑄晶試棒的橫截面，經(jīng)拋光、化學(xué)腐蝕后在JEM斟90型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察長(zhǎng)期時(shí)效試樣微觀組織，用附帶的能譜（EDS）儀對(duì)析出相進(jìn)行成分分析。沉淀相尺寸、體積分?jǐn)?shù)用定量分析軟件在掃描圖片上進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，強(qiáng)化相尺寸取顆粒邊長(zhǎng)或半徑的平均值，并認(rèn)為析出相的體積分?jǐn)?shù)與面積分?jǐn)?shù)相等。用TeenaiG2-20STwin型透射電鏡（TEM）鑒別碳化物類型。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.2.1 標(biāo)準(zhǔn)熱處理態(tài)試樣的組織。圖1（a）顯示實(shí)驗(yàn)合金標(biāo)準(zhǔn)熱處理態(tài)試樣γ'相為規(guī)則排列的立方形，平均邊長(zhǎng)250am，體積分?jǐn)?shù)約48%。圖1（b）選區(qū)衍射結(jié)果表明γ'與γ基體保持共格關(guān)系。另外，圖1（C）顯示合金中含有一定量的一次碳化物，碳化物分布不均，枝晶間數(shù)量較多，形態(tài)主要有塊狀、條狀、枝狀等。EDS和元素含量分別見圖1（d）和表1。分析表明，該類碳化物為富含Ta、Ti、w元素的一次MC型碳化物。

2.2.2 γ'相粗化。圖2為實(shí)驗(yàn)合金在長(zhǎng)期時(shí)效過程中γ'相的演化。經(jīng)800℃×5000h后，γ'相長(zhǎng)大不明顯，僅棱角有些熔解。850℃處理溫度下隨時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，棱角逐漸熔解，顆粒緩慢長(zhǎng)大，伴隨小部分γ'顆粒筏化;900℃處理溫度下隨時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，γ'相長(zhǎng)大迅速，并有更多γ'筏化，一些γ'顆粒與鄰近的顆粒連接在一起而呈長(zhǎng)條狀，但仍可觀察到有許多顆粒保持四方形，具有一定立方度，反映了合金有一定的穩(wěn)定性。另外，可以觀察到隨著γ'顆粒的長(zhǎng)大，γ'顆粒間的間距增大。

2.2.3 γ'相體積分?jǐn)?shù)變化

800℃和850℃時(shí)效時(shí)，隨時(shí)效時(shí)間延長(zhǎng)，γ'相體積分?jǐn)?shù)略有增加，而在900℃時(shí)效時(shí)17相體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)效溫度的變化不大，即在900℃時(shí)效時(shí)，γ'相大顆粒的長(zhǎng)大和小顆粒的溶解速度基本相當(dāng)。隨時(shí)效溫度的升高和時(shí)間的延長(zhǎng)，γ'相體積分?jǐn)?shù)的變化很小，而γ'顆粒長(zhǎng)大較快，因而必然使γ'顆粒數(shù)量減小，顆粒之間的間距增大。在長(zhǎng)期熱暴露或服役期間，高溫合金組織的退化在很大程度上依賴于MC碳化物的穩(wěn)定性。一次MC碳化物越穩(wěn)定，越不易析出TCP相。反之，如果一次MC碳化物不穩(wěn)定，則會(huì)在高溫下析出其他類型的二次碳化物。

3 鎳基高溫合金的發(fā)展趨勢(shì)展望

結(jié)合當(dāng)前的應(yīng)用方式和技術(shù)發(fā)展方向，鎳基高溫合金的發(fā)展趨勢(shì)主要可以概括為三點(diǎn)，強(qiáng)度會(huì)進(jìn)一步提高、抗熱腐蝕性會(huì)加強(qiáng)，密度也會(huì)越來越小、自重會(huì)隨之減輕。在材料強(qiáng)度方面，可以在合金材料中加入Al、Ti等等因素，可以讓強(qiáng)化相的數(shù)量得到保證，加入W、Mo以及Re等等較難熔的金屬元素也可以有效地提高材料整體強(qiáng)度。加入Ru元素是提高材料整體穩(wěn)定性的重要手段，用于避免析出有害相。所以隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，材料強(qiáng)度會(huì)越來越高。單晶合金的應(yīng)用會(huì)得到推廣，抗熱腐蝕性能更是單晶合金材料性質(zhì)中的關(guān)鍵，所以為了提高熱腐蝕抗性，可以添加難熔金屬的時(shí)，保證Cr元素的含量。

4 總結(jié)

在前文中，可以看出鎳基高溫合金在高溫合金當(dāng)中的地位非常重要，現(xiàn)在也是燃?xì)廨啓C(jī)葉片的主要制造材料，結(jié)合該材料的特點(diǎn)和用途，鎳基合金還有待于進(jìn)一步的發(fā)展。無論是飛行器發(fā)動(dòng)機(jī)還是工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)，在未來對(duì)材料的長(zhǎng)期服務(wù)要求都會(huì)越來越嚴(yán)格，同時(shí)在其他性能參數(shù)，如抗疲勞能力、熱膨脹系數(shù)和彈性模量行程。所以對(duì)于我國(guó)燃?xì)廨啓C(jī)的生產(chǎn)和發(fā)展來說，研制有更高承溫能力的材料意義重大。本文針對(duì)長(zhǎng)期時(shí)效對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)葉片用鎳基高溫合金微觀組織的影響進(jìn)行了分析。

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