Re含量对单晶高温合金组织和拉伸性能的影响 | [PDF全文] |
镍基单晶高温合金性能优良,是航空发动机涡轮叶片的制备材料[1-3]。为了提高单晶涡轮叶片的承温能力,从第二代单晶高温合金起开始加入一定含量的Re元素[4-5]。Re的加入显著促进了单晶高温合金的发展和应用,Re已经成为高性能单晶高温合金中最重要的合金元素,其作用机理受到了广泛关注。添加Re可显著降低γ′相的粗化动力,增加γ /γ′的负错配度[6]。Re以原子团的方式存在于γ相中,与经典固溶方式相比,强化作用更大[7]。因而Re可提高单晶高温合金的蠕变性能[8-9]、持久性能[10-12]。Re能够增加合金的氧化膜稳定性,使等温氧化速率降低,合金抗氧化性能提高[13]。Re在位错和晶界处富集,阻碍位错运动和晶界迁移,能够抑制再结晶[14-16]。然而,随着合金Re含量增加,增加合金成本和密度,容易导致TCP相的析出[17],促进SRZ(Secondary Reaction Zone二次反应区)的形成[18],增加凝固过程中杂晶的形成倾向[19]。当前Re资源稀少, 各国都视其为战略元素。在不同的单晶高温合金体系中,Re含量不同,且Re含量对单晶合金拉伸性能的影响未见报道。为设计合金,综合利用Re的强化效果, 发展高性能的新一代单晶高温合金,本文研究了Re含量对合金组织及其稳定性和拉伸性能的影响。
1 试样制备和实验方法实验采用2种合金材料的化学成分见表 1,2种合金的元素含量差别为Re含量不同,分别为3% Re和5% Re。在单晶炉中定向凝固成[001]取向的单晶试棒。试棒的晶体取向用X射线测试分析,选择晶体取向小于12°的单晶试棒进行后续试验。所有试棒按以下工艺进行标准热处理:1 300 ℃/1 h +1 310 ℃/2 h +1 320 ℃/3 h +1 330 ℃/4 h+1 335 ℃/6 h, AC+1 140 ℃/4 h, AC+870 ℃/24 h, AC。合金完全热处理后在980 ℃进行400、800、2 000 h长期时效热处理,分别在时效400、800、2 000 h取样观察合金组织。合金完全热处理后加工成拉伸性能试样,在1 100 ℃测试合金的拉伸性能。合金的不同状态的显微组织采用光学显微镜与扫描电镜进行分析。枝晶间距通过单位面积法获得,共晶含量通过比面积法获得,采用JMatPro计算软件进行相图分析。
点击放大 |
2 实验结果与分析 2.1 铸态枝晶组织
图 1所示为不同Re含量合金的枝晶组织形貌。由图 1可以看出,不同Re含量合金在相同凝固条件下获得的凝固组织均为枝晶组织,由枝晶干、枝晶间及枝晶间的γ/γ′共晶组成。经单位面积法定量计算3% Re和5% Re合金的一次枝晶间距分别为297 μm(图 1(a))和288 μm(图 1(b)),共晶体积分数分别为10.5%和12.4%。可以得出结论,在相同铸造工艺条件下,合金的一次枝晶间距随合金中Re含量升高而稍有减小,共晶的体积分数升高。
单晶高温合金在定向枝晶凝固过程中,溶质在固相与液相之间进行重新分配,使合金的枝晶干和枝晶间区域具有明显不同元素含量。Re、W、Mo等基体相γ的形成元素多分布于合金的枝晶干区域,而Al、Ta、Hf等析出相γ′的形成合金元素多分布于枝晶间区域。当合金枝晶间区域的液相化学成分具备共晶相形成条件时,形成共晶相。Re为高熔点合金元素,强烈偏析于合金枝晶干。随着Re含量增加,使合金凝固时枝晶干凝固了更多的Re、W、Mo等元素,较少的Al、Ta等元素,从而导致合金枝晶间留下了更多体积分数的共晶相。同时,Re元素具有较低的扩散系数[20],并能降低其他元素的扩散速率[9],增加了凝固过程中固相溶质扩散的不足程度,增大了成分过冷,扩大了糊状区温度区间,增加了合金枝晶间液相体积分数,导致最后凝固后枝晶间共晶相的体积分数增加。
2.2 热处理组织3%Re和5%Re合金的完全热处理组织见图 2。由图 2可以看出,2种合金都获得立方化较好的γ′相组织,随着Re含量的增加,γ′相尺寸减小,立方化程度增加。
Re为γ相形成元素,由于Re含量增加,Re在基体中的含量增加。同上所述,Re元素自身具有较低的扩散系数[20],并能降低其他元素的扩散速率[9],热处理过程中Re能够有效抑制γ′相的长大,因而获得的γ′相尺寸较小。
合金的两相界面能和晶格错配应变能等因素决定了析出相γ′的形貌[17]。界面结构以及两相界面面积决定了界面能的大小。两相晶格错配应变能与沉淀相的体积分数和晶格错配度有关。两相晶格错配度具有较小的绝对值时,界面能占较大部分,由晶格错配导致的弹性应变能占较小部分。相同体积下,球的表面积最小,γ′相呈球形分布。两相晶格错配度具有较大的绝对值时,界面能占较小部分,晶格错配应变能占较大部分。由于单晶合金为各向异性材料,弹性模量沿[001]取向时具有最低值,所以γ′相形核后沿不同的[001]方向长大,形成立方化形貌。合金的晶格错配度的绝对值越大,晶格错配应变能也越大,合金的γ′相立方化越好。Re原子尺寸较大,Re含量增多使合金的错配度更负,因而γ′相的立方化程度增加。
2.3 长期时效组织图 3所示为不同Re含量合金980 ℃长期时效组织。由图 3可以看出,时效400、800 h后,2种合金的γ′相尺寸增加,仍保持立方状形貌,γ基体通道宽度增加,无TCP相析出。时效2 000 h后,大部分γ′相仍保持立方状形貌,少部分γ′相发生筏排化;2种合金都析出少量针状TCP相,随着Re含量增加,TCP相析出量显著增加。用扫描电镜中的能谱分析了TCP相的化学成分,分析结果见表 2。由表 2可以看出,TCP相中富含Re、W等元素。
点击放大 |
在长时间高温状态下,单晶高温合金的γ′相发生长大粗化,甚至筏排化特征,这一过程同样受界面能和弹性应变能等因素的影响[17],一般认为错配度越大,γ′相越容易出现筏排化[21], 但由于2种合金都含有Re,其较低的扩散系数和阻碍其他原子扩散的特性,整体上使含Re合金与文献[22]不含Re合金相比具有较小的筏排化倾向。
高温合金析出TCP相主要原因为γ相中Re、W、Mo等元素过饱和引起的[23]。Re元素强烈偏析于γ相中,使5% Re合金γ相中TCP相形成元素过饱和较大。另一方面,Re的低扩散特征使γ′相形成元素由γ向γ′相扩散速率下降,同样也使γ相形成元素等由γ相向γ′相的扩散速率降低。因此造成了含5%Re合金中γ相中高熔点增多,使γ相的过饱和度较大。这两个原因导致高Re合金的组织稳定性变差。采用JMatPro软件计算了980 ℃下合金中各个相含量与Re含量的关系,如图 4所示。计算结果表明,随着Re含量升高,γ′相含量增加,γ相含量降低,TCP相含量增加。这与试验结果一致。
2.4 拉伸性能
不同Re含量合金1 100 ℃的拉伸性能见表 3,每个数据取值于3个试样的平均值。由表 3可以看出,随着Re含量增加,合金的屈服强度和抗拉强度显著增加,而延伸率和断面收缩率明显减小。2种合金1 100 ℃的应力-应变曲线如图 5所示。由图 5看出,2种合金曲线变化特征基本相同,合金屈服后,随着拉伸变形进行,流变应力逐渐增高,当达到抗拉强度点后,应力缓慢下降直至断裂。图 6为两种合金的拉伸断口形貌。由图 6看出,2种合金的拉伸断口形貌基本相同,断口有明显的缩颈特征,断口上分布大量的方形韧窝,断裂机制都为韧窝断裂。
点击放大 |
单晶高温合金由基体γ相和γ′沉淀析出相组成,合金的显微组织影响其拉伸性能。Re提高合金的拉伸性能主要原因如下。
首先,Re对基体相的强化作用。Re元素具有较大的原子半径[10],具有较强的固溶强化作用,因而能够显著提高基体γ相的强度。Re阻碍其他固溶元素从基体相向强化相扩散,从而加大对基体强化作用。Re在γ基体中以原子团簇形式存在,可有效阻碍位错运动,比传统固溶方式具有更强的强化效果[7]。Re主要分布于γ基体相中,使γ相的堆垛层错能减小,导致γ相容易发生扩展位错反应,使后来的位错更加不容易运动,因而能够使γ相得到强化[24]。
其次,Re不仅强化基体,还强化γ′相。相图计算表明,Re含量增加提高了强化相的含量。试验表明,Re增加了强化相立方化程度。Re增加了γ′相的反相畴界能,使位错切割γ′相所需的能量增加,不易切割[25]。Re的低扩散系数和阻碍其他原子扩散的特性,能够阻碍γ′相长大合并。
最后,Re能够强化γ/γ′两相界面。高体积分数γ′相的单晶合金的变形行为主要由两相界面的特征决定。Re增加了合金的错配度,能够在高温变形过程中在两相界面的位错网更加密集,使位错更加不容易切入γ′相,因此位错网的密度越大,合金就越难变形,其拉伸强度越大[24]。
综合以上原因,增加Re含量,合金的拉伸性能显著提高。
通过上述研究可知,随着单晶高温合金的发展,Re含量增加成为必然趋势,但其组织稳定性也会降低,需要进一步的解决措施,比如加入Ru元素。
3 结论1)随着合金中Re含量增加,一次枝晶间距轻微降低,共晶体积分数升高,γ′相的尺寸下降,立方化程度增加。
2)不同Re含量合金时效800 h后无TCP相析出,时效2 000 h后有TCP相析出,随着Re含量增加,TCP相析出量增加。合金组织稳定性随着Re含量增加而降低。
3)随着Re含量增加,合金的高温拉伸性能显著提高。
[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] |
CARON P, KHAN T. Evolution of Ni-based superalloys for single crystal gas turbine blade applications[J].
Aerospace Science Technology, 1999(3): 513–523. |
[4] |
CETEL A D, DUHL D N. Second-generation nickel-base single crystal superalloy[C]//REICHMAN S, et al. Superalloys 1988.Pennsylvania: TMS, 1988: 235-244.
|
[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. Superalloys2000. Warrendale, PA: TMS, 2000: 777-783.
|
[6] |
GIAMEI A F, ANTON D L. Rhenium additions to a Ni-base superalloy: effects on microstructure[J].
Metallurgical Transaction, 1985, 16: 1997–2001. |
[7] |
BLAVETTE D, CARON P, KHAN T. An atom probe investigation of the role of rhenium additions in improving creep resistance of Ni-base superalloys[J].
Scripta Metallurgical Materials, 1986, 20: 1395–1400. |
[8] |
LI J R, TANG D Z, LAO R L, et al. Effects of rhenium on creep rupture life of a single crystal superalloys[J].
Journal of Materials Science and Technology, 1999, 15(1): 53–57. |
[9] |
骆宇时, 李嘉荣, 刘世忠. Re对单晶高温合金蠕变过程中γ′相定向粗化的影响[J].
材料工程, 2006(7): 43–46.
|
[10] |
骆宇时, 李嘉荣, 刘世忠, 等. Re对单晶高温合金持久性能的强化作用[J].
材料工程, 2005(8): 10–14.
|
[11] |
骆宇时, 李嘉荣, 刘世忠, 等. Re对单晶高温合金高温高应力持久性能的影响[J].
中国有色金属学报, 2005, 15(11): 1655–1659.
|
[12] |
刘丽荣, 孙立军, 祖国庆. Re质量分数对单晶高温合金组织和性能的影响[J].
沈阳工业大学学报, 2013, 35(5): 525–529.
|
[13] |
常剑秀, 王栋, 董加胜, 等. 铼对镍基单晶高温合金恒温氧化行为的影响[J].
材料研究学报, 2017, 31(9): 695–702.
|
[14] |
濮晟, 谢光, 郑伟, 等. Re和W对固溶态镍基单晶高温合金再结晶的影响[J].
金属学报, 2015, 51(2): 239–248.
|
[15] |
濮晟, 谢光, 王莉, 等. Re和W对铸态镍基单晶高温合金再结晶的影响[J].
金属学报, 2016, 52(5): 538–548.
|
[16] |
潘智毅, 胡肖兵, 谢光, 等. 难熔元素W/Re对镍基单晶高温合金再结晶的影响[J].
电子显微学报, 2014, 33(3): 197–203.
|
[17] |
黄太文, 卢晶, 许瑶, 等. Re和Ta对抗热腐蚀单晶高温合金900 ℃长期时效组织稳定性的影响[J].
金属学报, 2019, 55(11): 1427–1436.
|
[18] |
WALSTON W S, SCHAEFFER J C, MURPHY W H. A New type of microstructural instability in superalloys-SRZ[C]// KISSINGER R, et al eds. Supperalloys1996. Pennsylvania: TMS, 1996: 9-18.
https://www.researchgate.net/publication/265945519_A_New_Type_of_Microstructural_ |
[19] |
陈先州, 张军, 赵新宝, 等. 凝固速率及铼对镍基单晶高温合金叶片小角度晶界的影响[J].
热加工工艺, 2014, 43(11): 1–5.
|
[20] |
曾强, 马书伟, 郑运荣. Re对Al在Ni中扩散的影响[J].
中国有色金属学报, 2003, 13(8): 899–904.
|
[21] |
SHI Z X, LI J R, LIU S Z. Effect of Ru on microstructure and phase stability of a single crystal superalloy[J].
International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials, 2012, 19(11): 1004–1009. |
[22] |
任英磊, 金涛, 管恒荣, 等. 一种镍基单晶合金高温长期时效后的组织与力学性能[J].
材料工程, 2004(2): 14–17.
|
[23] |
CARROLL L J, FENG Q, MANSFIELD J F, et al. Elemental partitioning in Ru-containing Nickel-base single crystal superalloys[J].
Materials Science and Engineering A, 2009, 457: 292–299. |
[24] |
骆宇时. Re在单晶高温合金中的强化机理[D].北京: 北京航空材料研究院, 2006: 7-15.
|
[25] |
LIFSHITZ I M, SLYOZOV V V. The kinetics of precipitation from supersaturated solid solutions[J].
Journal of Physics and Chemistry of Solids, 1961, 19(1/2): 35–50. |