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        錸(Re)對(duì)定向高溫合金組織與性能的影響

        2010-03-13 05:23:52賈新云黃朝暉譚永寧張宏煒
        航空材料學(xué)報(bào) 2010年6期
        關(guān)鍵詞:共晶定向熱處理

        賈新云, 黃朝暉, 譚永寧, 張 強(qiáng), 張宏煒

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

        加入難熔元素Re是提高高溫合金蠕變強(qiáng)度最有效的方法之一,國(guó)外的二代、三代單晶高溫合金及定向高溫合金分別加入3%和6%左右的Re為標(biāo)志,每一代大約提高合金的承溫能力30℃[1,2],這主要是Re元素的作用。目前除我國(guó)二代單晶高溫合金DD6中加入Re元素外[3],近年來又在新研制的二代定向高溫合金加入Re[4],所以了解和掌握Re元素對(duì)定向高溫合金組織和性能的影響,以及提高定向高溫合金強(qiáng)度的機(jī)理對(duì)研制二代定向高溫合金具有重要的意義。

        DZ9合金是新研制的二代定向凝固柱晶高溫合金,合金主要以第二相γ'強(qiáng)化兼固溶強(qiáng)化,γ'相的體積分?jǐn)?shù)超過60%,難熔金屬元素(W+Mo+Ta +Re)的含量大于15%;合金具有良好的力學(xué)性能和鑄造性能,主要用于制造渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的導(dǎo)向葉片。本研究在DZ9合金的基礎(chǔ)上進(jìn)行Re元素含量的調(diào)整,分析研究Re元素含量對(duì)二代定向高溫合金組織和性能的影響。

        1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

        實(shí)驗(yàn)用母合金在200kg真空感應(yīng)爐中熔煉(VIM),澆注成φ80mm的合金錠。定向凝固試棒在ISP2/Ⅲ-DS真空感應(yīng)爐中進(jìn)行,采用快速凝固(HRS)法,制備鑄態(tài)柱晶試棒。實(shí)驗(yàn)用合金以第二代定向DZ9合金為基礎(chǔ),合金名義成分為9Co-6Cr-8W-5.7Al-0.5Mo-3Ta-1.5Hf-Ti-3Re,單獨(dú)調(diào)整Re含量,A,B,C合金Re含量分別為:0,1.5%,3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)。

        首先用金相法和DSC法測(cè)試合金(鑄態(tài))的初熔溫度和 γ'回溶溫度。之后對(duì)試棒進(jìn)行熱處理(1260℃/3h,AC+1080℃/4h,AC+870℃/20h,AC)。采用光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡對(duì)合金的鑄態(tài)和熱處理態(tài)的組織進(jìn)行對(duì)比分析,同時(shí)將試棒加工成拉伸和持久性能試樣進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。

        2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

        2.1 Re含量對(duì)合金的初熔溫度的影響

        首先采用差熱分析方法(DSC)測(cè)試了合金的熔化溫度和γ'相的回溶溫度,結(jié)果見表1。結(jié)果表明,合金A的熔化溫度范圍為1355~1395℃,γ'相完全回溶溫度為1274℃;合金C的熔化溫度范圍為1361~1399℃,γ'相完全回溶溫度為1284℃。結(jié)果表明,加入Re可提高γ'相的回溶溫度,同時(shí)合金的固液相線也有所提高。

        表1 合金的初熔溫度和γ'相的回溶溫度Table 1 γ'-solvus temperature and incipient melting temperature of the alloy

        2.2 Re含量對(duì)合金組織影響

        不同Re含量的合金鑄態(tài)組織如圖1和圖2所示。

        共晶形態(tài)和尺寸:不含Re的合金A(0Re),其共晶γ+γ'相呈葵花狀,尺寸較大;合金B(yǎng)(1.5Re)的共晶γ+γ'相大多數(shù)呈葵花狀,且尺寸變小,另外有少數(shù)共晶γ+γ'相呈扇形;當(dāng)Re元素的含量增加到3.0%時(shí),合金C(3Re)的共晶γ+γ'相有的呈不對(duì)稱的葵花狀,有的呈扇形。

        枝晶干γ'相組織:從圖2可以看出,各合金的γ'相組織形態(tài)明顯不同。與含Re合金相比,不含Re的合金A中γ'相尺寸較大,約為0.6μm;Re元素含量增加到1.5%時(shí),合金B(yǎng)(1.5Re)的γ'相尺寸細(xì)化,約為0.3μm左右;當(dāng)Re元素的含量增加到3.0%時(shí),合金C(3Re)的γ'相尺寸約為0.2μm左右。這說明,合金元素Re對(duì)定向合金γ'相組織有較大影響,隨Re含量的增加,枝晶干的γ'相越來越細(xì)小,γ'相形態(tài)逐漸立方化。

        以上結(jié)果表明,Re的含量顯著影響γ'相尺寸;添加Re元素,強(qiáng)烈抑制凝固后析出γ'相的長(zhǎng)大。

        合金熱處理后的組織見圖3和圖4。結(jié)果表明,合金A(0Re)殘留共晶較少,有少量區(qū)域發(fā)生初熔現(xiàn)象,γ'相呈圓形且尺寸較大;合金B(yǎng)(1.5Re)殘留共晶也比較少,γ'相大多呈圓形且尺寸較小,少數(shù)有點(diǎn)立方化;合金C(3Re)殘留共晶較多,未發(fā)現(xiàn)初熔現(xiàn)象,γ'相呈方形。以上結(jié)果表明,Re含量明顯影響γ'相尺寸,隨著Re元素含量增加,γ'相細(xì)化且呈方形。

        2.3 Re含量對(duì)合金性能的影響

        Re元素含量對(duì)合金拉伸性能的影響見圖5。結(jié)果表明,隨著元素Re含量的增加,DZ9合金的室溫強(qiáng)度呈增加趨勢(shì),特別是屈服強(qiáng)度增加明顯;Re含量為1.5%,塑性最高,Re含量繼續(xù)增加,合金塑性呈下降趨勢(shì)。

        圖4 不同Re含量的合金熱處理后枝晶干γ'形態(tài)Fig.4 Effect of Re content on morphology of γ'phase after heat treatment(a)0Re;(b)1.5Re;(c)3.0Re

        圖5 Re元素含量對(duì)DZ9合金熱處理態(tài)室溫拉伸性能的影響Fig.5 Effect of Re content on room-temperature tensile properties of DZ9 alloy

        Re含量對(duì)DZ9合金持久性能的影響見圖6??梢钥闯?,合金B(yǎng)(1.5Re)的760℃持久壽命最高; 980℃和1100℃的持久壽命隨著元素Re含量增加呈明顯提高趨勢(shì)。與此相對(duì)應(yīng),合金B(yǎng)(1.5Re)的760℃持久塑性最高;980℃和1100℃的持久塑性隨著元素Re含量增加呈明顯下降趨勢(shì)??梢钥闯?,合金中加入Re元素可明顯提高高溫合金的高溫持久性能。

        2.4 討論

        圖6 Re元素含量對(duì)DZ9合金熱處理態(tài)持久性能的影響Fig.6 Effect of Re content on stress-rupture properties of DZ9 alloy (a)stress-rupture life;(b)stress-rupture ductility

        眾多研究表明[5,6],Re主要分布于γ基體中,由于Re具有較低的擴(kuò)散系數(shù)和較大的原子半徑,可阻止基體中元素的擴(kuò)散和基體與強(qiáng)化相之間的擴(kuò)散,從而對(duì)基體起到明顯固溶強(qiáng)化效果。另外,加入Re元素可有效阻礙強(qiáng)化γ'相的凝集,從而有效地提高合金的強(qiáng)度。

        加入Re元素可明顯提高合金高溫持久性能。合金980℃持久斷口見圖7,可以看出,當(dāng)合金不含Re時(shí),合金980℃持久斷口比較平整,平面微孔較少;隨著Re含量增加,合金持久斷口的深度增加,且微孔數(shù)量增多、深度增加。980℃持久斷裂機(jī)理是微孔聚合長(zhǎng)大機(jī)制。在較高溫度下位錯(cuò)靠空位或原子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng),在位錯(cuò)集中的地方先形成細(xì)小孔洞,然后以孔洞為核心向外擴(kuò)展,多個(gè)孔洞連接成為裂紋。

        這主要是由于在高溫條件下,合金的應(yīng)變速率主要由金屬內(nèi)部的元素?cái)U(kuò)散控制[7],因此表現(xiàn)為含3Re合金在高溫(980℃和1100℃)下的持久壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于不含Re的合金。

        3 結(jié)論

        (1)加入Re可提高γ'相的回溶溫度和合金的初熔溫度;Re的含量顯著影響合金的γ+γ'共晶相形態(tài)、γ'相的尺寸和形態(tài)。

        圖7 980℃/248MPa持久斷口形貌Fig.7 Fractograph of stress-rupture at 980℃/248MPa (a)0Re;(b)3.0Re

        (2)隨著Re含量的增加,合金的室溫強(qiáng)度特別是屈服強(qiáng)度增加,合金的高溫持久壽命顯著增加。

        [1]CETEL A D,DUHL D N.Second-generation nickel-base single crystal superalloy[C]//REICHMAN S,DUHL D N,MAURER G,et al.Superalloys 1988.Pennsylvania: TMS,1988:235-244.

        [2]WALSTON W S,O'HARA K S,ROSS E W,et al.Rene N6:third generation single crystal superalloy[C]//KISSINGER R D,DEYE D J,ANTON D L,et al.Superalloys 1996.Pennsylvania:TMS,1996:27-34.

        [3]LI J R,ZHONG Z G,TANG D Z,et al.A low-cost second generation single crystal superalloy DD6[C]//POLLICK T M,KISSINGER R D,BOWMAN R R,et al.Superalloys 2000.Pennsylvania:TMS,2000:777-783.

        [4]黃朝暉,譚永寧,賈新云,等.第二代定向凝固柱晶高溫合金DZ406[C]//第十一屆中國(guó)高溫合金年會(huì)論文集.北京:冶金工業(yè)出版社,2007:384-387.

        [5]CAARON P.High γ'solvus new generation nickel-based superalloys for single crystal turbine blade applications[C]//POLLOCK T M,KISSINGER R D,BOWMAN R R,et al.Superalloys 2000.Pennsylvania:TMS,2000: 737-746.

        [6]TIN S,YEH A C,OFORI A P,et al.Atomic partitioning of ruthenium in Ni-based superalloys[C]//GREEN K A,POLLOCK T M,HARADA H,et al.Superalloys 2004. Pennsylvania:TMS,2004:735-741.

        [7]鄭修麟.材料的力學(xué)性能[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社,1994:150.

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