史振學(xué)， 劉世忠， 趙金乾

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

由于鎳基單晶高溫合金性能優(yōu)異而被用于制備航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片[1].為了提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的工作溫度，單晶高溫合金中添加大量Re、W、Ta、Mo、Nb等難熔合金元素，顯著提高了其承溫能力[2-4].但是難熔合金元素含量增加降低了單晶合金的組織穩(wěn)定性，導(dǎo)致合金的力學(xué)性能降低[5-7].Mo為提高單晶合金高溫強(qiáng)度的有益元素之一，普遍應(yīng)用于各種單晶高溫合金.20世紀(jì)80年代研制的第一代單晶DD3合金含有4%的Mo[8]，第二代單晶高溫合金DD6含有2%的Mo[9]，美國(guó)的第四代單晶高溫合金EPM-102含有2%的Mo[10].Mo除了固溶強(qiáng)化，還促進(jìn)在γ/γ′相界面形成高密度的位錯(cuò)網(wǎng)進(jìn)而降低合金的蠕變速率[11-12].但是，高含量的Mo導(dǎo)致合金中TCP相的析出，降低合金的組織穩(wěn)定性[13-15].為獲得高強(qiáng)度且組織穩(wěn)定的第四代單晶高溫合金，優(yōu)化Mo元素含量，文中制備了Mo含量分別為1%和3%的2種單晶高溫合金，研究了Mo含量對(duì)單晶高溫合金凝固特征、顯微組織及其穩(wěn)定性的影響，為第四代單晶合金的成分優(yōu)化提供依據(jù).

1 試樣制備和試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為第四代單晶高溫合金，化學(xué)成分見(jiàn)表1.2種單晶高溫合金的Mo含量分別為1.0%Mo和3.0%Mo.采用選晶法在真空定向凝固爐制備單晶試棒，用X射線衍射儀測(cè)試單晶試棒的[001]取向偏離度，選取偏離度10°以內(nèi)的單晶試棒進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn).2種合金按以下工藝進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)熱處理：1 300℃/1 h+1 310℃/2 h+1 320℃/3 h+1 330℃/4 h+1 340℃/6 h/空冷+1 140℃/4 h/空冷 +870℃/32 h/空冷.標(biāo)準(zhǔn)熱處理后在1 100℃長(zhǎng)期時(shí)效1 000 h.采用JMatPro軟件計(jì)算合金的凝固特征，通過(guò)掃描電鏡分析不同條件下合金的顯微組織，通過(guò)計(jì)算顯微組織中共晶組織面積與整個(gè)圖片總面積的比值得到合金共晶組織含量，采用能譜儀分析合金中γ相、γ′相和TCP相的化學(xué)成分.

表1 不同Mo含量合金成分 /（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 1 Nominal chemical compositions of the alloy with different Mo/（massfraction,%）

2 結(jié)果與分析

2.1 Mo含量對(duì)合金相變特征的影響

采用JMatPro5.0軟件計(jì)算了2種Mo含量合金的相平衡情況.不同Mo含量合金平衡相與溫度關(guān)系見(jiàn)圖1.由圖1看出，2種合金有相同的平衡相，即基體相γ、強(qiáng)化相γ′、MC、不穩(wěn)定相μ.計(jì)算出不同Mo含量合金的相變特征溫度見(jiàn)表2.可以看出，隨著Mo含量增加，γ、γ′、MC的析出溫度降低，而μ相的析出溫度顯著提高.

圖1 不同Mo含量合金相變溫度曲線Fig.1 Precipitation phases temperature curves of the alloys with different Mo contents

熱處理窗口和凝固糊狀區(qū)區(qū)間為單晶高溫合金工藝性能的重要參數(shù).熱處理窗口為初熔溫度至γ′相全部溶解溫度的區(qū)間，熱處理窗口越寬，代表著合金的熱處理工藝性能越好.2種Mo含量合金的熱處理窗口分別為45.6℃和45.4℃，由此可見(jiàn)，雖然Mo含量不同，合金的熱處理工藝性能基本保持不變.合金的糊狀區(qū)區(qū)間為液相開(kāi)始凝固到結(jié)束凝固的溫度區(qū)間.糊狀區(qū)影響單晶合金的晶體生長(zhǎng)，其區(qū)間越小，越容易生長(zhǎng)單晶[16].隨著合金元素含量增加，糊狀區(qū)寬度呈現(xiàn)擴(kuò)大趨勢(shì).由表2可知，1%Mo和3%Mo合金的糊狀區(qū)區(qū)間分別為58.5℃和66.5℃，這說(shuō)明隨著Mo含量增加，合金糊狀區(qū)區(qū)間變大.

表2 不同Mo含量合金中各相析出溫度Table 2 Phase transformation temperature of the alloys with different Mo contents

計(jì)算了合金1 100℃各平衡相與Mo含量的關(guān)系，如圖2所示.由圖2看出，隨著Mo含量升高，由于單晶合金含C量非常少而使MC相含量幾乎無(wú)變化，γ′相含量降低，γ相含量增加，μ相含量增加.這表明合金的組織穩(wěn)定性隨著Mo含量增加而變差.

圖2 合金在1 100℃各相隨著Mo含量的變化關(guān)系Fig.2 Relationship between the every phase volume and Mo content at 1 100℃

2.2 Mo含量對(duì)合金鑄態(tài)組織的影響

圖3 所示為不同Mo含量合金的共晶組織.經(jīng)面積法計(jì)算1%Mo和3%Mo合金中的共晶含量分別為11.4%和10.1%.可以看出，隨著Mo含量的升高，共晶尺寸變小，含量降低.在合金凝固過(guò)程中，由于溶質(zhì)再分配而導(dǎo)致合金元素在枝晶干和枝晶間不均勻分布.元素Re、W、Mo偏析于枝晶干，元素Al、Ta、Nb在枝晶間偏析，當(dāng)液相成分達(dá)到γ/γ′共晶相成分時(shí)，析出共晶組織.Mo作為γ相形成元素，隨著Mo含量增加，液相先析出形成的γ相增多，后形成的共晶量必然減少.因此隨著Mo含量增加，合金共晶尺寸變小，含量減少.

圖3 不同Mo含量合金的共晶組織Fig.3 Eutectic morphologies of the alloys with different Mo contents

圖4 所示為不同Mo含量合金的鑄態(tài)組織，由圖4看出，隨著Mo含量增加，合金的γ′相尺寸減小，其均勻化和立方化程度稍有增加.在單晶高溫合金的鑄態(tài)組織中，大部分γ′相為γ相達(dá)到過(guò)飽和脫溶生成.從軟件計(jì)算得出，隨著Mo含量增加，γ′相的體積分?jǐn)?shù)降低，這表明Mo降低γ′相的形成.凝固過(guò)程中γ′形核數(shù)量降低而長(zhǎng)大時(shí)間較長(zhǎng)，因此γ′相尺寸較大.同時(shí)隨著Mo含量增加，合金的晶格錯(cuò)配度增加，使其均勻化和立方化程度稍有增加.

2.3 Mo含量對(duì)合金熱處理組織的影響

圖5所示為不同Mo含量合金的熱處理組織.合金在固溶處理保溫過(guò)程中，全部溶解了粗大γ′相和共晶組織，變?yōu)閱蜗唳媒M織.冷卻時(shí)γ相中析出細(xì)小大量的γ′相，再經(jīng)過(guò)兩級(jí)時(shí)效處理，形成尺寸適中立方化較好的γ′相組織.由圖5可以看出，隨著Mo含量增加，γ′相立方化程度增加.

γ′相形貌受合金兩相錯(cuò)配度的影響[17].錯(cuò)配度接近零時(shí)，γ′相為球形；隨著錯(cuò)配度絕對(duì)值增加，γ′相向立方形狀轉(zhuǎn)變.合金的錯(cuò)配度與化學(xué)成分有關(guān)，合金γ相和γ′相點(diǎn)陣常數(shù)與化成成分的關(guān)系及錯(cuò)配度的計(jì)算公式如下[18]，

采用能譜分析了2種合金γ相和γ′相的化學(xué)成分，采用上述公式計(jì)算了2種Mo含量合金的錯(cuò)配度分別為-0.22% 和 -0.31%.可以看出，隨著Mo含量增加，合金的錯(cuò)配度絕對(duì)值增加，因而合金的立方化程度增加.

圖4 不同Mo含量合金的鑄態(tài)組織Fig.4 As-cast microstructure of the alloys with different Mo contents

圖5 不同Mo含量合金的熱處理組織Fig.5 Heat treatment microstructure of the alloys with different Mo contents

2.4 Mo含量對(duì)合金長(zhǎng)期時(shí)效組織的影響

圖6 不同Mo含量合金1 100℃長(zhǎng)期時(shí)效1 000 h組織Fig.6 Long term aging microstructure of the alloys with different Mo contents at 1 100℃for 1 000 h

圖6 所示為合金在1 100℃時(shí)效1 000 h后組織.由圖6看出，時(shí)效1 000 h后，γ相基體通道變寬，γ′相連接、合并形成不規(guī)則形狀的筏形組織，如長(zhǎng)條形，L形γ′相，還發(fā)現(xiàn)合金時(shí)效組織中有TCP相析出，隨著Mo含量，析出的TCP相顯著增多，與前面JMatPro計(jì)算結(jié)果相同，這表明隨著Mo含量增加，合金的組織穩(wěn)定性變差.對(duì)合金長(zhǎng)期時(shí)效TCP相進(jìn)行了能譜分析，分析結(jié)果見(jiàn)表3.結(jié)果表明，TCP相中含Re、W、Mo和 Co等元素，Mo是 TCP相形成元素之一.合金中TCP相的析出主要是因?yàn)棣孟嘀蠷e、W、Mo等元素過(guò)飽和引起的[19].合金元素的分配比ki=Ciγ/Ciγ′，表示合金元素在 γ 相和 γ′相的含量比值.Mo對(duì)合金中化學(xué)元素在γ相和γ′相中分配比影響見(jiàn)圖7.由圖7看出，隨著Mo含量增加，合金Re、Cr、Mo等元素的分配比增加，這表明Mo增加了γ相中Re、Cr、Mo的過(guò)飽和程度.綜合上述原因，隨著Mo含量增加，合金的組織穩(wěn)定性變差.

表3 1%Mo和3%Mo合金長(zhǎng)期時(shí)效后析出TCP相的化學(xué)成分 /（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 3 Chemical composition of TCP phase in the 1%Mo alloy and 3%Mo alloy/（massfraction,%）

圖7 1%Mo和3%Mo合金的元素分配比Fig.7 Partition ratio of alloying element in the 1%Mo alloy and 3%Mo alloy

3 結(jié) 論

隨著Mo含量增加，合金的固液相線溫度均有所降低，糊狀區(qū)區(qū)間變大，γ相和TCP相含量增加，合金的共晶含量減少.鑄態(tài)γ′相尺寸減小，其均勻化和立方化程度稍有增加；合金熱處理組織的γ′相立方化程度增加；合金長(zhǎng)期時(shí)效組織中TCP相析出量增加，合金的組織穩(wěn)定性變差.