田素貴, 錢(qián)本江, 李 唐, 于莉麗, 王明罡

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽(yáng)110870)

鎳基單晶合金中TCP相的析出行為及其對(duì)持久性能的影響

田素貴, 錢(qián)本江, 李 唐, 于莉麗, 王明罡

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽(yáng)110870)

通過(guò)對(duì)有/無(wú)元素Re、有/無(wú)TCP相合金進(jìn)行時(shí)效處理、持久性能測(cè)試及組織形貌觀察，研究TCP相的析出特征以及元素Re、TCP相對(duì)合金持久壽命的影響。結(jié)果表明：在時(shí)效期間，合金中析出的TCP相在{111}晶面沿＜110＞晶向呈片狀析出，其在(100)晶面具有相互平行或垂直的針狀形貌，在(111)晶面呈現(xiàn)互成60?角排列的針狀形貌，該TCP相鑒定為μ相。在無(wú)Re合金中析出的μ相尺寸較小，在時(shí)效期間不發(fā)生球化；而在4.5%Re合金中析出的μ相尺寸較大，且隨時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，μ相逐漸粗化并轉(zhuǎn)變成球狀。由于析出的μ相消耗較多的難溶元素，故可明顯降低合金的蠕變抗力和縮短持久壽命。其中，無(wú)Re合金2中析出的針狀μ相，在蠕變期間易產(chǎn)生應(yīng)力集中，并促使其發(fā)生裂紋萌生和擴(kuò)展，是較大幅度縮短合金持久壽命的主要原因；在4.5%Re合金中形成的球狀μ相，在蠕變期間不易產(chǎn)生應(yīng)力集中，是使合金持久壽命縮短幅度減小的主要原因。

鎳基單晶合金；時(shí)效；TCP相；球化；持久壽命

據(jù)此，本文作者對(duì)有/無(wú)元素Re單晶鎳基合金進(jìn)行高溫時(shí)效處理及組織形貌觀察，考察元素Re對(duì)合金中析出TCP相形態(tài)的影響；并通過(guò)對(duì)有/無(wú)元素Re及TCP相合金進(jìn)行持久性能測(cè)試，以考察元素Re及TCP相對(duì)合金持久性能的影響，為單晶鎳基合金的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

采用選晶法，在高溫度梯度真空定向凝固爐中用成分為Ni-Cr-Co-W-Mo-Al-Ta系有/無(wú)元素Re的母合金制取[001]取向的單晶鎳基合金試棒，試棒的生長(zhǎng)方向與[001]取向的偏差在7?以?xún)?nèi)。選用的熱處理工藝為：(1 280 ℃, 2 h) + (1 310 ℃, 4 h, A C ) + (1 100 ℃, 4 h, A C) + (870 ℃, 24 h, A C)。制取的4種單晶鎳基合金的化學(xué)成分列于表1。

表1 單晶鎳基合金的化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of single crystal nickel-based superalloys (mass fraction, %)

將4種成分的單晶鎳基合金進(jìn)行四級(jí)熱處理，然后，將其切割成10 mm × 10 mm × 2 mm的塊狀試樣，分別將塊狀試樣在1 040 ℃和1 100 ℃進(jìn)行保溫50、 150、200和300 h的長(zhǎng)期時(shí)效處理，之后空冷。結(jié)合SEM形貌觀察，將有/無(wú)TCP相的析出結(jié)果列于表1的右側(cè)。將不同成分的單晶鎳基合金切割成橫斷面為4.5 mm×2.5mm，標(biāo)距長(zhǎng)為20 mm的板狀持久拉伸樣品。將樣品置入GWT504型高溫蠕變/持久試驗(yàn)機(jī)中，進(jìn)行持久性能測(cè)試。將合金時(shí)效不同時(shí)間及恒定載荷持久斷裂樣品在SEM/TEM下進(jìn)行組織形貌觀察，考察不同合金中析出TCP相的形貌特征及演化規(guī)律，研究TCP相形態(tài)對(duì)合金持久性能的影響規(guī)律。

2 結(jié)果與分析

2.1 TCP相的析出特征

有/無(wú)元素Re合金經(jīng)四級(jí)熱處理后，具有相同的組織形貌，均為尺寸為0.4~0.5 μm、且規(guī)則排列的立方γ ′相，以共格方式嵌鑲在γ基體相中，γ基體通道的寬度約為50 nm(照片略去)。合金1和3經(jīng)完全熱處理后，分別經(jīng)1 040 ℃和1 100 ℃時(shí)效300 h后無(wú)TCP相析出，僅發(fā)生γ ′相的粗化(照片略去)。

無(wú)Re的6%W合金(合金2)經(jīng)1 040 ℃時(shí)效200 h后，其析出的TCP相形貌如圖1(a)所示，樣品的觀察面為(100)晶面。析出的大量針狀TCP相尺寸較短，且互成近90?角排列；樣品經(jīng)深腐刻后，合金中的γ ′相已沿[100]和[010]取向擴(kuò)散而連接成串狀，清晰可見(jiàn)(見(jiàn)圖1(b))，析出的針狀TCP相與γ ′相粗化方向呈近45?角分布，表明該針狀TCP相沿＜110＞取向呈現(xiàn)相互平行或相互垂直形貌。

含4.5%Re的合金4在1 100 ℃時(shí)效150 h后，析出的TCP相形貌如圖2(a)所示，樣品的觀察面為(100)晶面?？梢钥闯觯龀鲠槧頣CP相的方向與立方γ′相的對(duì)角線(xiàn)平行，即沿＜110＞方向排列，并呈現(xiàn)相互垂直或相互平行的特征。在(111)晶面觀察，析出的針狀TCP相互成60?交角排列，如圖2(b)所示。其中，與觀察面平行的存留片狀TCP相示于圖中的C區(qū)域，表明合金中的TCP相沿{111}晶面析出。由此可以推論：貌似針狀的TCP相實(shí)為沿{111}晶面析出的片狀結(jié)構(gòu)，并沿＜110＞取向生長(zhǎng)。與無(wú)Re的6%W合金(見(jiàn)圖1(a))相比，4.5%Re合金中析出的TCP相尺寸較大。

4.5%Re合金經(jīng)1 100 ℃時(shí)效100 h后的TEM像如圖3(a)所示。該樣品的膜面法線(xiàn)方向?yàn)閇100]取向，析出的TCP相呈現(xiàn)針狀形貌，并沿＜110＞取向平行排列，而另一組與其垂直。該相的選區(qū)電子衍射斑點(diǎn)及指數(shù)標(biāo)定如圖3(b)所示，確定出該TCP相為μ相。在衍射斑點(diǎn)中μ相的矢量、γ ′ 相的矢量與中心斑點(diǎn)共線(xiàn)，且γ ′相和μ相衍射斑點(diǎn)的晶帶軸分別為Bγ′= [215]和。由此可以確定：析出的μ相與γ ′相具有和的晶體學(xué)關(guān)系。

圖1 6%W合金在1 040 ℃時(shí)效200 h后的顯微組織Fig.1 Microstructures of 6%W alloy after being aged at 1 040 ℃ for 200 h: (a) Strip-like TCP phases precipitated along ＜110＞orientations on (100) plane; (b) Slice-like TCP phases precipitated along {111} crystal planes as marked with A and B

圖2 4.5%Re合金經(jīng)1 100 ℃時(shí)效150 h后在不同晶面析出的TCP相形貌Fig.2 Morphology of 4.5% Re alloys after being aged at 1 100 ℃ for 150 h: (a) Strip-like TCP phases precipitated along ＜110＞orientations on (100) plane; (b) Strip-like TCP phases precipitated at angle of 60? each other on {111} planes

圖3 TCP相的形貌及衍射斑點(diǎn)Fig.3 Morphology and diffraction spots of TCP phases: (a) Morphology of strip-likeμphases; (b) Diffraction spots and exponent

TEM/EDS能譜分析表明：4.5%Re合金中析出μ相的主要成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)為：Ta 4.72、Cr 7.12、W 14.59、Re 23.54，其余為Al、Mo、Co、Ni元素；而6%W合金中析出的TCP相也確定為μ相，其主要成分為(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)：Ta 8.73、Cr 10.72、Mo 40.12、W 19.59，其余為Al、Co、Ni元素。分析結(jié)果表明：μ相中富含W、Re、Mo元素，由于4.5%Re合金中元素Mo含量低，故μ相中元素Mo含量較低，兩合金中TCP相均富含元素W。由此可以認(rèn)為：Re、W、Mo是強(qiáng)烈促進(jìn)μ相析出的元素。

2.2 元素Re對(duì)TCP相形貌演化的影響

6%W合金中無(wú)元素Re，在1 040 ℃時(shí)效50 h后，γ ′相已沿[100]和[010]方向擇優(yōu)粗化，形成串狀結(jié)構(gòu)，并有少量較短片狀μ相析出, 如圖4(a)中箭頭所示。時(shí)效至200 h后，有較多μ相析出(見(jiàn)圖1(a)和(b))。時(shí)效300 h的形貌如圖4(b)所示，照片的觀察面為(111)晶面?？梢钥吹剑写罅酷槧瞀滔嘌夭煌∠蛭龀?，且兩取向針狀相夾角約為120?。與圖1(a)比較，針狀μ相數(shù)量明顯增加，其中較粗的針狀相是在時(shí)效初期形成的(見(jiàn)圖4(b)中箭頭)，而較細(xì)的針狀相為時(shí)效后期形成的；與圖2(b)比較，針狀相尺寸較短，未發(fā)現(xiàn)有針狀μ相的球化或溶斷現(xiàn)象出現(xiàn)。

4.5%Re合金經(jīng)1 100 ℃時(shí)效不同時(shí)間的顯微組織如圖5所示，時(shí)效50 h后，合金中有片狀μ相析出(見(jiàn)圖5(a))。當(dāng)時(shí)效時(shí)間延長(zhǎng)至150 h時(shí)，片狀相已經(jīng)粗化，并有少量片狀μ相溶斷，呈現(xiàn)逐漸球化特征(見(jiàn)圖5(b)中白色箭頭)，該觀察面為非{100}晶面，故兩組TCP相并不互相垂直。當(dāng)時(shí)效時(shí)間延長(zhǎng)至300 h時(shí)，合金中部分μ相已經(jīng)球化，并轉(zhuǎn)變成粒狀形貌(見(jiàn)圖5(c))。與圖2(b)相比，較多μ相的厚度增加，并呈球狀。分析認(rèn)為，圖5(c)中的粒狀μ相為初始片狀μ相經(jīng)長(zhǎng)期時(shí)效逐步球化所致，而與粒狀相鄰的細(xì)小、片狀μ相應(yīng)為時(shí)效后期再次析出所致。與6%W合金相比，在4.5%Re合金中，析出的μ相可發(fā)生球化，表明元素Re具有促使μ相發(fā)生球化的作用。

圖4 6%W合金經(jīng)1 040 ℃時(shí)效不同時(shí)間后的顯微組織Fig.4 Microstructures of 6%W alloys after being aged at 1 040 ℃ for different times: (a) Finer strip-likeμphases precipitated after being aged for 50 h; (b) After being aged for 300 h, significant amount of strip-likeμphases precipitated and arranged at angle of 120? each other on {111} planes

圖5 4.5%Re合金經(jīng)1 100 ℃時(shí)效不同時(shí)間后的顯微組織Fig.5 Microstructures of 4.5%Re alloys after being aged at 1 100 ℃ for different times: (a) Strip-likeμphases precipitated after being aged for 50 h; (b) Some ofμphases precipitated after being aged for 150 h, a few grooves appeared in strip-likeμphases, a fewμphases dissolved up to abruption as marked with arrow; (c) After being aged for 300 h, morphology ofμphases spherfied as marked with arrow

2.3 TCP相對(duì)持久性能的影響

對(duì)有/無(wú)元素Re合金在不同條件下進(jìn)行持久性能測(cè)試，并觀察TCP相的形貌特征，其結(jié)果列于表2。由表2可以看出，在無(wú)Re的4%W合金中無(wú)TCP 相析出，在980 ℃, 200 MPa條件下，測(cè)定出其持久壽命達(dá)395 h；與4%W合金相比，6%W合金含有較多的難溶元素W，但由于有TCP相析出，在相同條件下的持久壽命僅有123 h，與前者相比，持久壽命降低272 h，縮短幅度達(dá)69%。

在4.2%Re合金中無(wú)TCP相析出，在1 080 ℃, 137 MPa條件下，測(cè)定出其持久壽命為140 h；而在4.5%Re合金中有TCP相析出，測(cè)定的持久壽命為96 h，壽命縮短44 h，縮短幅度為31.4%。由此可見(jiàn)，TCP相對(duì)合金的持久壽命有明顯影響。

在試驗(yàn)條件下，4%W合金的持久壽命為395 h。其中，當(dāng)蠕變至123 h時(shí)，合金中無(wú)TCP相析出，且γ ′相已經(jīng)形成筏狀結(jié)構(gòu)，并在γ ′/γ兩相界面存在規(guī)則的位錯(cuò)網(wǎng)，如圖6(a)所示。筏狀γ ′相內(nèi)無(wú)位錯(cuò)的事實(shí)表明，合金仍有較好的蠕變抗力。而6%W合金在恒定載荷持續(xù)123 h時(shí)已經(jīng)斷裂，其中有較多針狀μ相析出，該μ相橫穿筏狀γ ′相的形貌如圖6(b)中箭頭所示。由于6%W合金中的筏狀γ ′相已有較多位錯(cuò)切入，表明該合金已失去蠕變抗力。

圖7所示為6%W合金在980 ℃, 200 MPa條件下恒定載荷持續(xù)123 h斷裂后的組織形貌。由圖7可以看出，針狀μ相尺寸較大，如圖中箭頭所示。μ相的上側(cè)為γ ′相，相內(nèi)有位錯(cuò)切入，μ相的右側(cè)，存在較高密度的位錯(cuò)纏結(jié)如箭頭所示。由此可以認(rèn)為，在蠕變期間位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)至針狀μ相受阻，產(chǎn)生應(yīng)力集中，可使其在應(yīng)力集中區(qū)域發(fā)生裂紋萌生和擴(kuò)展，加速合金的蠕變斷裂[10]。因此，該合金的持久壽命較短。

在1 080 ℃, 137 MPa條件下，4.2%Re和4.5%Re合金恒載持久斷裂后的組織形貌如圖8所示。4.2%Re合金恒載持續(xù)140 h斷裂后無(wú)μ相析出，且在遠(yuǎn)離斷口區(qū)域形成規(guī)則的筏狀γ ′相、且排列平直，如圖8(a)所示；由于合金中形成的筏狀γ ′相與應(yīng)力軸垂直，可有效阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，因此，合金具有較長(zhǎng)的持久壽命。4.5%Re合金恒載持續(xù)96 h斷裂后有μ相析出，且析出的μ相尺寸較短，甚至有的μ相為球狀，如圖8(b)中箭頭所示；由于合金中有μ相析出，并使原筏狀γ ′相中斷，故位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力減小，因此，在相同條件下,合金的持久壽命較短。

表2 合金在不同條件下的持久壽命和TCP相的形貌特征Table 2 Stress rupture lifetimes and morphology of TCP phases for alloys under different conditions

圖6 不同合金在980 ℃, 200 MPa條件下蠕變不同時(shí)間后的顯微組織Fig.6 Microstructures of alloys crept at 980 ℃ and 200 MPa for different time: (a) 4%W alloy crept for 123 h; (b) 6%W alloy crept for 123 h, precipitated TCP phase marked with arrow

圖7 6%W合金經(jīng)980 ℃, 200 MPa蠕變123 h斷裂后的顯微組織Fig.7 Microstructure of 6%W alloy crept at 980 ℃ and 200 MPa for 123 h up to fracture

圖8 合金在1 080 ℃, 137 MPa條件下恒載持久斷裂后的顯微組織Fig.8 Microstructures of alloys after being endured up to fracture at 1 080 ℃ and 137 MPa: (a) 4.2% Re alloy; (b) 4.5% Re alloy

3 討論

3.1 元素W和Re對(duì)TCP相析出行為的影響

元素W、Re的偏聚程度與元素W、Re的偏聚自由能(?Gbγ→μ)有關(guān)。采用熱力學(xué)方法，計(jì)算出Ni-6%Al-x%W和Ni-6%AL-x%Re合金在1 040 ℃的偏聚自由能(?Gbγ→μ)，如圖9所示。隨著元素W、Re含量的增加，合金的偏聚自由能(?Gbγ→μ)降低，表明合金中溶質(zhì)原子的偏聚是自發(fā)過(guò)程。但是與無(wú)Re合金相比，含Re合金的偏聚吉布斯自由能降低幅度較大，表明隨著Re含量的提高合金中溶質(zhì)原子的偏聚傾向增大。

圖9 1 040 ℃時(shí)?Gbγ→μ與Re、W質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系Fig.9 Relationships between ?Gbγ→μand mass fractions of Re and W at 1 040 ℃

另一方面，W的原子半徑為0.141 nm，Re的原子半徑為0.137 nm，與W相比，Re的原子半徑較小，更容易發(fā)生擴(kuò)散與聚集，因此，含Re合金中易于出現(xiàn)μ相的析出與粗化。

合金中一旦有μ相析出，則根據(jù)平衡分配規(guī)則，元素W、Re平衡分配于μ和γ ′兩相之中，當(dāng)溶質(zhì)原子M(W, Re)的濃度超過(guò)臨界值時(shí)，則有片狀μ相自基體中析出，此時(shí)，附加壓力(p=2σ/r)為零(片狀μ相的曲率半徑為無(wú)窮大)。隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，μ相逐漸粗化，并在μ/γ ′兩相界面形成彎曲界面，隨著彎曲界面的曲率半徑(r)減小，附加壓力增大。具有較小曲率半徑的μ相對(duì)相鄰的γ ′相施加較大的附加壓力，并引起μ相中溶質(zhì)元素M (W, Re)的化學(xué)位和自由能發(fā)生變化，導(dǎo)致溶質(zhì)元素在γ ′相中的平衡溶解度增大，因此，可促使片狀μ相發(fā)生分解。在附加壓力的作用下，γ ′相中溶質(zhì)元素M (W, Re)溶解度的變化可用下式表 示[16]：

由式(1)可知，隨著片狀μ相的曲率半徑的減小，γ′相中溶質(zhì)元素M (W, Re)的平衡濃度提高。如果認(rèn)為溶質(zhì)元素M (W, Re)是根據(jù)平衡分配規(guī)則平衡分配在μ和γ ′兩 相中，則γ ′相中溶質(zhì)元素M (W, Re)的平衡濃度將隨μ相曲率半徑的變化而變化，隨著μ相曲率半徑的減小，溶質(zhì)元素M (W, Re)在相鄰γ ′相中的化學(xué)位隨之降低，由此可促使溶質(zhì)元素M(W, Re)自μ相中擴(kuò)散至臨近的γ ′相中，導(dǎo)致片狀μ相發(fā)生分解而形成溝槽，直至轉(zhuǎn)變成球狀結(jié)構(gòu)，如圖5(c)中箭頭所示。

3.2 TCP相對(duì)持久性能的影響

在980 ℃, 200 MPa條件下，4%W合金在蠕變期間無(wú)TCP相析出，合金的持久壽命是395 h。與該合金相比，6%W合金的合金化程度較高，但有TCP相析出，且析出針狀的μ相。由于μ相的析出消耗了合金中的難溶元素，使合金中γ和γ ′兩相的固溶強(qiáng)化程度減弱，蠕變抗力降低。在持久性能測(cè)試期間，形變位錯(cuò)易于切入筏狀γ ′相內(nèi)(見(jiàn)圖6(b))，因此，在相同條件下，6%W合金的持久壽命僅為123 h，其持久壽命縮短幅度達(dá)69%。

合金3中含有4.2% Re，持久性能測(cè)試期間無(wú)TCP相析出。由于元素Re可提高合金的高溫蠕變抗力[9]，因此，在1 080 ℃, 137 MPa條件下，該合金的持久壽命為140 h。而在含4.5%Re合金中有TCP相析出，在相同條件下，該合金的持久壽命縮短到96 h，與4.2%Re合金相比，4.5%Re合金持久壽命縮短的幅度為31.4%，表明TCP相可明顯縮短合金的持久壽命。

6%W合金析出的TCP相為針狀，縮短持久壽命的幅度為69%，4.5%Re合金持久性能測(cè)試期間析出的TCP相為球狀，縮短持久壽命的幅度為31.4%。比較可知，TCP相形態(tài)對(duì)合金的持久壽命有明顯影響。其中，在6%W合金中析出針狀TCP相，在性能測(cè)試期間易產(chǎn)生應(yīng)力集中，可促使其在應(yīng)力集中區(qū)域發(fā)生裂紋萌生和擴(kuò)展，加速合金的恒載應(yīng)力斷裂[13]，是使該合金較大幅度降低持久壽命的主要原因。而具有球狀TCP相的4.5%Re合金，其縮短持久壽命的幅度較小。

對(duì)后者縮短持久壽命幅度較小的分析認(rèn)為：4.5%Re合金中析出TCP相發(fā)生球化后，具有兩方面作用，一方面合金中析出TCP相后使γ ′和γ兩相的固溶強(qiáng)化作用減弱，球狀TCP相的尺寸較小，并使原筏狀γ ′相中斷(見(jiàn)圖8(b)中箭頭)。由于在持久性能測(cè)試期間，尺寸較小的筏狀γ ′相對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力減小，位錯(cuò)易于在基體中滑移，可使合金的持久抗力降低；另一方面，在持久性能測(cè)試期間，球狀TCP相處不易產(chǎn)生應(yīng)力集中，并具有第二相強(qiáng)化及阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的作用。因而，兩者的綜合作用使合金的持久壽命縮短幅度較小，與針狀TCP相相比，粒狀TCP相合金持久壽命縮短的幅度減小37.6%。

可以看出，中國(guó)在“代數(shù)式的運(yùn)算”“代數(shù)式的證明”知識(shí)主題所占比重與六國(guó)均值較為接近；然而，在“代數(shù)式概念”知識(shí)主題所占比重（37.50%）明顯高于六國(guó)均值（17.20%），同時(shí)也是六國(guó)中所占比重最大的國(guó)家；在“未知數(shù)、變量的使用”知識(shí)主題所占比重（25.00%）明顯低于六國(guó)均值（40.03%）．

4 結(jié)論

1) 元素W、Re、Mo可強(qiáng)烈促進(jìn)合金中TCP相的析出，在1 040 ℃和1 100 ℃長(zhǎng)期時(shí)效期間，6%W合金、4.5%Re合金中的TCP相在{111}晶面沿＜110＞晶向呈片狀生長(zhǎng)，并鑒定為μ相；其在(100)晶面的μ相具有相互平行或相互垂直的針狀形貌，而在(111)晶面的針狀μ相互成60?角排列。

2) 元素Re可促使合金中析出的μ相發(fā)生球化轉(zhuǎn)變，在高溫有/無(wú)應(yīng)力時(shí)效期間，6%W合金中析出的μ相不發(fā)生球化；隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，4.5%Re合金中析出的μ相發(fā)生粗化及逐漸溶斷，直至轉(zhuǎn)變成球狀形態(tài)。

3) 析出的μ相可消耗合金中的難溶元素，使γ ′和γ兩相的合金化程度及蠕變抗力減弱，可明顯縮短合金的持久壽命。其中，6%W合金中析出的針狀μ相，在持久性能測(cè)試期間易于產(chǎn)生應(yīng)力集中，并促使其發(fā)生裂紋的萌生和擴(kuò)展，是較大幅度縮短合金持久壽命的主要原因；4.5%Re合金中析出的μ相在高溫服役期間發(fā)生球化，而球狀μ相區(qū)域不易產(chǎn)生應(yīng)力集中，是使合金持久壽命縮短幅度減小的主要原因。

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(編輯 楊 華)

Precipitation behavior of TCP phase and its influence on stress rupture property of single crystal nickel-based superalloys

TIAN Su-gui, QIAN Ben-jiang, LI Tang, YU Li-li, WANG Ming-gang
(School of Materials Science and Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China)

By means of measurement of the stress rupture property and microstructure observation, an investigation was made on the features of TCP phase precipitated and the influence of element Re and TCP phase on the stress rupture property of the single crystal nickel-based superalloys. The results show that during aging, TCP phase is precipitated along the ＜110＞ orientation on {111} planes in the form of the slice-like structure. Thereinto, TCP phase displays a strip-like morphology, arranging in the upright each other on the {100} planes, or arranging at an angle of 60? each other on the {111} planes, and the TCP phase is identified asμphase. Theμphase precipitated in the free-Re alloy is shorter in size, and no feature of the spheroidization is detected during the aging. But theμphase precipitated in the 4.5%Re alloy displays a longer size, and the coarsening occurs as the aged time prolongs, and then μ phase is gradually transformed into the sphere-like morphology. The precipitated TCP phase may obvious decrease the creep resistance and stress rupture lifetimes of the superalloys due to the consumption of the refractory elements. Thereinto, the stress concentration is easily generated in the regions near the strip-likeμphase in the free-Re alloy, and promotes the initiation and propagation of the cracks during creeping, which is a maim reason reducing the stress rupture lifetimes of the alloy a great extent. And the stress concentration is not easily generated in the regions near the sphere-likeμphase in 4.5%Re alloy, which is a main reason reducing the stress rupture lifetimes of the alloy a small extent.

single crystal nickel-based superalloy; ageing; TCP phase; spheroidization; stress rupture lifetime由于單晶鎳基合金中含有高體積分?jǐn)?shù)的γ ′強(qiáng)化相(~70%)而具有良好的高溫性能，主要用于制作航空發(fā)動(dòng)機(jī)的熱端葉片部件[1?6]。隨著對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)功率及熱效率等使用性能要求的提高，要求合金具有更高的承溫能力[7]。加入難溶元素W和Re可有效改善單晶鎳基合金的高溫性能[8?10]，且隨著W、Re元素含量的增加，改善合金高溫性能的幅度增大。但隨著合金中難溶元素W、Re含量的增加，合金在熱暴露及服役期間會(huì)發(fā)生難溶元素的偏聚，增加析出σ、μ、P或者R等拓?fù)涿芘畔?TCP相)的傾向，一旦合金中析出TCP相，將大幅度縮短單晶合金的持久壽命[10?13]。關(guān)于元素W、Re可促進(jìn)合金中TCP相析出的研究已有文獻(xiàn)[14?15]報(bào)道，但有關(guān)元素Re對(duì)析出TCP相形態(tài)的影響及TCP相形態(tài)對(duì)持久性能的影響報(bào)道較少。

TG146

A

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50571070)

2009-11-13；

2010-05-30

田素貴，教授，博士; 電話(huà)：024-25494089；傳真：024-25496768; E-mail: tiansugui2003@163.com

1004-0609(2010)11-2154-08