有色金属科学与工程  2019, Vol. 10 Issue (2): 77-82
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Al含量对镍基单晶高温合金组织和持久性能的影响[PDF全文]
史振学 , 刘世忠     
北京航空材料研究院先进高温结构材料重点实验室, 北京 100095
摘要:采用选晶法在定向凝固炉中制备了5.6 % Al和6.0 % Al的2种单晶高温合金,保持其它合金元素含量相同,热处理后在1 040 ℃长期时效800 h,采用扫描电镜研究了Al含量对合金共晶含量、热处理组织、长期时效组织和持久性能的影响.结果表明,随着Al含量增加,合金铸态组织中的共晶含量稍有增加,热处理组织中枝晶干γ′相无明显变化,枝晶间的γ′相稍有增大.随着Al含量增加,合金时效组织中TCP相析出量增加,枝晶间γ′相筏排化倾向增加,合金的组织稳定性变差.随着Al含量增加,合金的持久寿命增加,延伸率和断面收缩率减小.
关键词单晶高温合金    Al含量    组织稳定性    持久性能    
Influence of Al content on microstructure and stress rupture properties a Ni-base single crystal superalloy
SHI Zhenxue , LIU Shizhong     
Science and Technology on Advanced High Temperature Structural Materials Laboratory, Beijing Institute of Aerial Materials, Beijing 100095, China
Abstract: Two kinds of single crystal superalloys that have the same element content excerpt Al content, one containing 5.6 % Al and the other kind having 6.0 % Al, were casted in a directionally solidified furnace. The long-term aging of the alloys after heat treatment was performed at 1 040 ℃ for 800 h. Effects of Al content on the volume of eutectic, heat treatment microstructure and long-term aging microstructure of the alloys were investigated by SEM. The results showed that: with the increase of Al content, the volume of eutectic slightly increased in the as-cast microstructure; the size of γ′ phase in the dendrite core didn't change much but it slightly increases in the interdendrite zone; after long-term aging, the amount of TCP phase and the raft tendency of γ′ phase in the interdendrite zone both increased; the microstructure stability, the elongation and contraction area of the alloys decreased while the stress rupture lives of the alloys were improved.
Keywords: single crystal superalloy    Al content    microstructure stability    stress rupture properties    

γ′相是高温合金的主要强化相,是以Ni3Al为基的金属间化合物,其体积分数、形状和尺寸影响合金的性能[1-2].高温合金之所以在高温下保持高强度主要依靠γ′的沉淀强化作用. Al是镍基单晶高温合金中重要的元素,主要形成γ′沉淀相. Al能提高合金表面稳定性,有利于提高合金的抗氧化性能[3]. Al有助于合金获得合适的铸造性能、热处理性能、相稳定性、高力学性能,过量的Al增加合金的共晶含量,热处理时不能完全溶解进而降低合金的强度[4].过量的Al降低Ta、W、Mo、Nb等固溶元素的加入量,对高温性能不利.目前国内外典型第2代、第3代单晶高温合金的Al含量(质量分数)一般为5.6 %~6.2 %,如合金DD6[5]、DD9[6]、PWA1484[7]、RenéN5[8]、RenéN6[9]、CMSX-4[10]、CMSX-10[11]、TMS-75[12]的Al含量分别为5.6 %(指质量分数,下同)、5.6 %、5.6 %、6.2 %、5.75 %、5.6 %、5.7 %、6.0 %,为认识Al在一种单晶高温合金中的作用和Al的较优加入量,文中研究了不同Al含量对合金组织及稳定性的影响,以期对合金成分优化和应用提供参考数据.

1 试样制备和试验方法

在真空单晶炉中采用选晶法制备了2种不同Al含量的单晶高温合金试棒,Al含量分别为5.6 %和6.0 %,其它合金元素含量相同,2种单晶合金的化学成分见表 1.用X射线衍射仪测试单晶高温试棒的晶体取向,选取[001]取向偏离度15°以内的试棒进行试验. 2种合金以相同的工艺进行热处理,热处理工艺如下: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.热处理后分别在1 040 ℃长期时效200 h、400 h、600 h、800 h.采用扫描电镜研究不同状态下合金的显微组织.在1 070 ℃/140 MPa条件下测试不同Al含量单晶高温合金的持久性能.

表 1 不同Al含量合金的化学成分/(质量分数,%) Table 1 Nominal chemical compositions of the alloy with different Al /(mass fraction, %)
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2 结果与分析 2.1 合金共晶含量

图 1所示为不同Al含量合金共晶组织.经面积法计算5.6 %Al和6.0 %Al合金中的共晶含量分别为9.2 %和10.5 %.从图 1中可以看出,随着单晶高温合金中Al含量由5.6 %增加6.0 %Al,共晶尺寸稍有变大,共晶含量略有增加.在单晶高温合金凝固过程中,溶质再分配导致合金元素枝晶偏析.枝晶干含有较多的Re、W、Mo等元素,而枝晶间含有较多的Al、Hf、Ta等元素[13].当枝晶间液相成分达到共晶相成分时,析出共晶组织. Al作为γ′相形成元素,随着Al含量增加,枝晶间液相达到共晶相成分其体积分数升高,因而凝固结束后形成的共晶尺寸增大,含量增多.这与单晶高温合金中增加Hf含量的共晶变化趋势相同[14].

图 1 不同Al含量合金的γ/γ′共晶组织 Fig. 1 Eutectic morphologies of the alloy with different Al content

2.2 热处理组织

图 2所示为不同Al含量合金的热处理组织.合金经过固溶处理保温过程中,全部消除了粗大γ′相和共晶组织,变为单相γ组织.冷却时γ相中析出细小大量的γ′相,再经过2级时效处理,形成尺寸适中立方化较好的γ′相组织.由图 2可以看出,不同区域γ′组织大小和分布不均匀,枝晶干区域为细小立方形态规则的γ′相,枝晶间区域为粗大立方形态不规则的γ′相.在单晶合金热处理冷却过程中,γ′相主要是由过饱和的γ相中析出的.经过固溶处理枝晶偏析虽然减轻但仍然存在,枝晶间含有较多的γ′形成元素,因而枝晶间的γ′相比枝晶干有相对较高的过饱和度,枝晶间的γ′相的长大驱动力比枝晶干的大,因而枝晶间的γ′相尺寸较大且不规则.这与其它单晶高温合金具有相同的枝晶干与枝晶间热处理组织差异特征[15, 16].随着Al含量增加,枝晶干的γ′相无明显变化,而枝晶间的γ′相尺寸增加.因为Al偏析于合金的枝晶间,Al含量增加,γ′相长大驱动力高,因而其尺寸较大.

图 2 不同Al含量合金的热处理组织 Fig. 2 Heat treatment microstructure of the alloy with different Al content

2.3 合金长期时效组织

图 3所示为5.6 % Al合金在1 040 ℃时效200 h、400 h、600 h、800 h后枝晶干和枝晶间组织.由图 3看出,200 h、400 h时效处理后,合金无TCP相析出,枝晶干和枝晶间的γ′相长大,但仍保持立方状,γ相基体通道变宽. 600 h、800 h时效后,合金枝晶有少量TCP相析出,枝晶干和枝晶间的γ′相进一步长大,仍保持立方状,γ相基体通道变宽.长期时效过程中,γ′相变化规律符合LSW粗化理论,较大尺寸的γ′相逐渐长大,较小尺寸的γ′相渐渐溶解消失[17].

图 3 5.6 % Al合金在1 040 ℃时效不同时间的组织 Fig. 3 Microstructures of 5.6 % Al alloy after long term aging for different time at 1 040 ℃

图 4所示为6.0 % Al合金在1 040 ℃时效200 h、400 h、600 h、800 h后枝晶干和枝晶间组织.由图 4看出,200 h时效处理后,合金枝晶干析出TCP相,枝晶干和枝晶间的γ′相长大,但基本上仍保持立方状,γ相基体通道变宽.时效400 h后,合金枝晶干的γ′相进一步长大,仍保持立方状,枝晶间的γ′相长大合并成筏排状,γ相基体通道变宽.时效600 h、800 h后,枝晶干析出的TCP相增多,γ′相长大仍为立方形状,枝晶间筏排组织更加粗大,γ相基体通道进一步变宽.

对不同Al含量合金长期时效γ相基体通道宽度进行了定量分析,分析结果见表 2.结果表明,随着时效时间的延长,不同Al含量合金枝晶干、枝晶间的γ相基体通道宽度增加.

表 2 长期时效对5.6 % Al和6.0 % Al合金γ相基体通道宽度的影响 Table 2 Effect of long term aging on the γ matrix channel width in the 5.6 %Al alloy and 6.0 %Al alloy
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对不同Al含量合金长期时效800 h后TCP相进行了能谱分析,分析结果见表 3.结果表明,析出相中含Co、Re、W等元素.由图 3图 4看出,TCP相优先在合金的枝晶干析出,这是由于合金完全热处理后,枝晶偏析不能够完全消除,枝晶干仍含有较多的Re、W等负偏析元素[18].合金中TCP相的析出是由于合金γ基体中的Re、W等强化元素过饱和导致的[19],Re、W等元素为TCP相形成元素,因此TCP相优先在合金的枝晶干析出.随着时效时间增加,TCP相由枝晶干向枝晶间延伸长大.

表 3 5.6 % Al和6.0 % Al合金长期时效800 h后析出TCP相的化学成分/(质量分数,%) 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, %)
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图 4 6.0 % Al合金在1 040 ℃时效不同时间的组织 Fig. 4 Microstructures of 6.0 % Al alloy after long term aging for different time at 1 040 ℃

对比2种合金时效组织可以看出,随着Al含量增加,TCP相析出速率和析出量增加,这表明Al含量高的单晶高温合金组织稳定性变差.这是由于Al为γ′相形成元素,随着Al含量增加,合金的γ′相体积分数增加,则γ相体积分数相对减少,而γ相形成元素不变,这就使γ相中Re、W等元素的过饱和程度增加,导致合金的组织稳定性变差.对比还可看出,随着Al含量增加,枝晶间γ′相筏排化程度增加.合金长期时效过程中筏排化的驱动力为γ、γ′两相的错配度[20].由于Al增加了合金枝晶间的错配度,长期时效过程中使合金容易筏排化.

2.4 合金持久性能

不同Al含量合金在1 070 ℃/140 MPa条件下的持久性能见表 4.由表 4可以看出,随着Al含量的增加,合金的寿命增加,延伸率和断面收缩率降低.由前面分析看出,Al作为γ′相形成元素,随着Al含量增加,合金中γ′强化相的体积分数增加,使合金的持久寿命增加,而持久延伸率和断面收缩率相对减小.

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

1)随着Al含量增加,合金铸态组织中的共晶含量增加,热处理组织枝晶干γ′相无明显变化,枝晶间的γ′相稍有增大.

2)随着Al含量增加,合金时效组织中TCP相析出量增加,枝晶间γ′相筏排化倾向增加,合金的组织稳定性变差.

3)随着Al含量增加,合金的持久寿命增加,延伸率和断面收缩率减小.

参考文献
[1]
史振学, 杨万鹏, 刘世忠, 等. 长期时效温度对一种单晶高温合金的组织和拉伸性能的影响[J]. 有色金属科学与工程, 2018, 9(4): 35–39.
[2]
任维鹏, 李青, 黄强, 等. 定向凝固镍基高温合金DZ466表面CoAl涂层的氧化及组织演变[J]. 金属学报, 2018, 54(4): 566–574.
[3]
郑运荣, 张德堂. 高温合金与钢的彩色金相研究[M]. 北京: 国防工业出版社, 1999.
[4]
史振学. DD6单晶高温合金叶片小角度晶界研究[D].北京: 北京航空材料研究院, 2009.
[5]
LI J R, ZHONG Z G, TANG D Z, et al. A low-cost second generation single crystal superalloy DD6[C]//POLLOCK T M, et al. Superalloys2000. Warrendale, PA: TMS, 2000: 777-783.
[6]
LI J R, LIU S Z, WANG X G, et al. Development of a low-cost third generation single crystal superalloy DD9 [C]//HARDY M, et al. Superalloys2016, Pennsylvania: TMS, 2016: 27-34.
[7]
CETEL A D, DUHL D N. Second-generation nickel-base single crystal superalloy [C]//REICHMAN S, et al eds. Superalloys 1988, Pennsylvania: TMS, 1988: 235-244.
[8]
CARON P, KHAN T. Evolution of Ni-based superalloys for single crystal gas turbine blade applications[J]. Aerospace Science Technology, 1999(3): 513–523.
[9]
WALSTON W S, O'HARA K S, ROSS E W, et al. René N6: third generation single crystal superalloy[C]//KISSINGER R, et al. Superalloys1996, Pennsylvania: TMS, 1996: 27-34.
[10]
HARRIS K, ERICKSON G L, SCHWER R E, et al. Process and alloy optimization for CMSX-4 superalloy single crystal airfoils[C]//BACHELET E. et al. High Temperature Materials for Power Engineering 1990, Part Ⅱ, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, Holland, 1990: 1281-1300.
[11]
ERICKSON G L. The development and application of CMSX-10 [C]//KISSINGER R, et al. Superalloys1996, Pennsylvania: TMS, 1996: 35-44.
[12]
胡壮麒, 刘丽荣, 金涛, 等. 镍基单晶高温合金的发展[J]. 航空发动机, 2005, 31(3): 1–7. DOI: 10.3969/j.issn.1672-3147.2005.03.001.
[13]
SHI Z X, LI J R, LIU S Z, et al. Effect of Ru on solidification characteristic and microstructures of Ni-based single crystal superalloy[J]. Journal of Iron and Steel Research, International, 2013, 20(3): 74–78. DOI: 10.1016/S1006-706X(13)60072-2.
[14]
史振学, 李嘉荣, 刘世忠, 等. Hf含量对DD6单晶高温合金铸态组织的影响[J]. 稀有金属材料与工程, 2010, 39(3): 490–493.
[15]
SHI Z X, LI J R, LIU S Z, et al. Effect of Hf on the microstructures and stress rupture properties of DD6 single crystal superalloy[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2010, 39(8): 1334–1338. DOI: 10.1016/S1875-5372(10)60116-6.
[16]
SHI Z X, LI J R, LIU S Z, et al. Effect of Ru on solidification characteristic and microstructures of Ni-based single crystal superalloy[J]. Journal of Iron and Steel Research, International, 2013, 20(3): 74–78. DOI: 10.1016/S1006-706X(13)60072-2.
[17]
LIFSHITZ M, SLYOZOV V V. The kinetics of precipitation from supersaturated solid solution[J]. Journal of Physical and Chemical Solids, 1961, 19: 35–50. DOI: 10.1016/0022-3697(61)90054-3.
[18]
马文有, 李树索, 乔敏, 等. 热处理对镍基单晶高温合金微观组织和高温持久性能的影响[J]. 中国有色金属学报, 2006, 16(6): 937–944. DOI: 10.3321/j.issn:1004-0609.2006.06.002.
[19]
HAN Y F, MA W Y, DONG Z Q, et al. Effect of Ruthenium on microstructure and stress rupture properties of a single crystal Nickel-base superalloy [C] //REED R C, et al. Superalloys 2008. Pennsylvania: TMS, 2008: 91-97.
[20]
PYCZAK F, NEUMEIER S, GöKEN M. Influence of lattice misfit on the internal stress and strain states before and after creep investigated in nickel-base superalloys containing rhenium and ruthenium[J]. Materials Science and Engineering A, 2009, 510-511: 295–300. DOI: 10.1016/j.msea.2008.08.052.