付鑫濤，王文龍，王文成，宋曉明，谷 巍，洪紅倫

(承德石油高等?？茖W(xué)校 a.機(jī)械工程系；b.工業(yè)技術(shù)中心，河北 承德 067000)

?

晶體取向?qū)σ环N單晶鎳基合金高溫蠕變性能的影響

付鑫濤a，王文龍b，王文成a，宋曉明a，谷 巍a，洪紅倫a

(承德石油高等?？茖W(xué)校 a.機(jī)械工程系；b.工業(yè)技術(shù)中心，河北 承德 067000)

研究了一種鎳基單晶高溫合金CM186LC在兩個(gè)晶體取向下的高溫蠕變性能。在不同的溫度壓力條件下，對(duì)[001]和[011]取向試樣均進(jìn)行拉伸蠕變?cè)囼?yàn)，并用掃描電子顯微鏡觀察各試樣斷口的微觀結(jié)構(gòu)特征。蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果顯示：在750 ℃/700 MPa和900 ℃/320 MPa的蠕變?cè)囼?yàn)條件下，[001]晶體取向試樣蠕變壽命高于[011]晶體取向試樣，特別是在750 ℃/700 MPa的蠕變?cè)囼?yàn)條件下，試樣各向異性程度更高。利用掃描電子顯微鏡觀察試樣的斷口和組織結(jié)構(gòu)表明：在750 ℃/700 MPa試驗(yàn)條件下，[001]取向試樣斷裂特征為解理型斷裂，[011]取向試樣斷裂特征為剪切斷裂；在900 ℃/320 MPa試驗(yàn)條件下，兩種取向試樣斷裂特征均為韌性斷裂。由此可見，晶體取向?qū)︽嚮鶈尉Ц邷睾辖餋M186LC的蠕變性能有顯著地影響。

鎳基單晶合金；蠕變?cè)囼?yàn)；各向異性；斷裂特征

鎳基單晶高溫合金因?yàn)槠鋬?yōu)異的高溫性能，主要被應(yīng)用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片[1,2]。和普通多晶合金材料不同，單晶合金材料表現(xiàn)出了顯著的各向異性。在工業(yè)應(yīng)用中，葉片的主要受力方向?yàn)閇001]取向，但是受航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片復(fù)雜形狀和工作環(huán)境的影響，在葉片局部會(huì)產(chǎn)生多個(gè)軸向應(yīng)力和多個(gè)方向的熱應(yīng)力，為了充分發(fā)揮單晶合金的優(yōu)異高溫性能，研究人員對(duì)各種單晶合金材料的各向異性進(jìn)行了大量的研究[1-3]。韓國明等人[4]的研究表明，DD499 單晶高溫合金在高溫條件下，蠕變持久壽命會(huì)按照[111]、[001]和[011]的次序降低。趙乃仁，王志輝[5]等人對(duì)一種無錸單晶高溫合金的研究表明，溫度對(duì)單晶高溫合金材料各向異性的影響顯著。研究對(duì)象為一種鎳基單晶高溫合金CM186LC，通過分析其不同取向下蠕變持久壽命和蠕變?cè)囼?yàn)后試樣斷口斷裂特征，對(duì)其各向異性行了研究和分析，為合金CM186LC的進(jìn)一步研究和應(yīng)用提供基礎(chǔ)支持。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

本實(shí)驗(yàn)所用材料為鎳基單晶高溫合金CM186LC，其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)為：0.070C、0.730Ti、6.000Cr、9.300Co、5.740Al、8.300W、3.400Ta、2.900Re 和 63.560Ni。[001]和[011]取向的單晶鎳基合金試棒采用籽晶法制取，利用電子背散射衍射分析技術(shù)(EBSD)測(cè)定晶體取向，選取晶體取向偏離度<7°的合金試棒為試驗(yàn)材料。試棒材料首先進(jìn)行1 274 ℃/8 h AC(空冷，air cooling)的固溶處理，以產(chǎn)生γ′固溶相，然后進(jìn)行1 080 ℃/4 h+870 ℃/20 hAC的高溫時(shí)效處理。將熱處理后的試棒材料加工為蠕變?cè)嚇?，試樣?guī)格如圖1所示。在750 ℃/700 MPa和 900 ℃/320 MPa試驗(yàn)條件下，對(duì)[001]和[011]取向試樣均進(jìn)行拉伸蠕變?cè)囼?yàn)。蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)束后，用掃描電子顯微鏡觀察樣品斷口的微觀結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)果及討論

2.1 不同取向合金熱處理組織

不同取向的單晶高溫合金CM186LC經(jīng)過熱處理后都形成立方體形狀的 γ′相，如圖2 所示。γ′相尺寸為0.45 μm，體積分?jǐn)?shù)為 70%。

2.2 不同取向合金的蠕變持久性能

圖3為不同取向CM186LC合金的蠕變曲線。由圖3可知，兩種試驗(yàn)條件下CM186LC合金試樣均表現(xiàn)出了明顯的蠕變?nèi)A段特征。[001]取向試樣與[001]取向試樣相比，初始蠕變速率和穩(wěn)態(tài)蠕變速率較低，蠕變壽命較長(zhǎng)，顯示了明顯的各向異性。與高溫低應(yīng)力條件相比，中溫高應(yīng)力條件下CM186LC合金顯示了更為明顯的各向異性。以上結(jié)論與韓國明等人[3]對(duì)單晶高溫合金DD499的研究結(jié)果一致。

2.3 不同取向合金的斷裂特征

圖4所示為不同溫度、應(yīng)力條件下試樣端口的微觀特征。750 ℃/700 MPa條件下[001]取向試樣斷口分布著許多方形小平面，這些方形平面與四周的斜平面相連(見圖4a))，呈現(xiàn)解理型斷裂特征。根據(jù)Sherry等人[6]對(duì)SRR99合金的研究，這些方形小平面位于<001>平面，斜平面位于<111>面上，隨著蠕變的進(jìn)行，變形主要集中于<111>面上，直至斷裂。本研究中，750 ℃/700 MPa條件下[011]取向試樣斷口與拉伸軸成一定角度(見圖4b)，[011]取向試樣在試驗(yàn)中只有單一滑移系移動(dòng)，并在滑移過程中斷裂，經(jīng)EBSD測(cè)定，[011]取向試樣斷裂面為<111>面。900 ℃/320 MPa條件下兩種取向試樣均明顯存在大量孔洞(見圖4c)和圖4d))，單晶高溫合金高溫破壞首先產(chǎn)生微觀小孔，小孔的逐漸增大、聚集、合并最終導(dǎo)致試樣韌性斷裂[7]。

3 結(jié)論

1)CM186LC合金表現(xiàn)出明顯的各向異性行為。同高溫低應(yīng)力條件相比，各向異性特征在中溫高應(yīng)力的條件下更加明顯。

2)高溫低應(yīng)力和中溫高應(yīng)力條件下，CM186LC合金[001]晶體取向蠕變持久壽命高于 [011] 晶體取向 。

3)750 ℃/700 MPa條件下CM186LC合金[001] 取向斷裂方式為解理型斷裂， [011] 取向斷裂類型為單系滑移引起的剪切斷裂；900 ℃/320 MPa條件下合金兩種晶體取向均出現(xiàn)微孔聚集，導(dǎo)致韌性斷裂。

[1] RC Reed, The superalloys: fundamental and applications[M]. Cambridge:Cambridge University Press，2006.

[2] PL Mao, Y Xin, K Han, et al. Effects of heat treatment and Re-content on the TCP-phase in two Ni-Mo-Cr-Re superalloys[J].Acta Metallurgica Sinica，2009, 22(5): 365-372.

[3] B Wang, C Sun, J Gong, et al. Oxidation behavior of the alloy IC-6 and protective coatings[J]. Corrosion Science, 2004, 46(3)：519-528.

[4] 韓國明, 于金江, 孫曉峰, 等. 一種鎳基單晶高溫合金持久各向異性行為[J]. 稀有金屬材料與工程，2011, 40(4):673-676.

[5] 趙乃仁, 王志輝, 李金國, 等. 一種鎳基單晶高溫合金的各向異性研究[J]. 材料工程, 2008(2): 58-61.

[6] AH Sherry, R Pilkington. The creep fracture of a single-crystal superalloy[J]. Mater Sci Eng A, 1993, 172(1-2): 51-61.

[7] LR Liu, T Jin, NR Zhao, etal. Creep deformation mechanism in a Ni base single crystal superalloy[J]. Acta Metallurgica Sinica, 2005, 41(11): 1215-1220.

Effect of Orientation on Creep Behavior of Nickel-Base SingleCrystal Superalloy at High Temperature

FU Xin-taoa, WANG Wen-longb, WANG Wen-chenga, SONG Xiao-minga,GU Weia, HONG Hong-luna

(a.Department of Mechanical Engineering; b.Industrial Technology Center, Chengde Petroleum College, Chengde 067000, Hebei, China)

Effect of orientation on the creep behavior of nickel-base single crystal superalloy CM186LC is studied in this paper. The crystal orientation has a significant influence on the creep behavior of nickel-base single crystal superalloy at high temperature. In the condition of 750 ℃/700 MPa and 900 ℃/320 MPa, [001] crystal orientation specimens showed higher creep life to that of the [011] specimens, but in the conditions of 750 ℃/700 MPa, anisotropy is more obvious. As a result of the fracture and structure of SEM, in the condition of 750°C/700MPa, the fracture mode of [001] orientation is the cleavage fracture, while the fracture mode of [011] orientation is pure shear. At high temperature, the fracture mode turns to be microvoid coalescence fracture.

nickel-base single crystal superalloy; creep test; anisotropy; fracture characteristic

2016-11-16

付鑫濤(1986-)，男，河北承德人，助教，碩士，主要從事高溫合金材料的研究，E-mail：fuxintao@qq.com。

TG146

A

1008-9446(2017)03-0025-03