錸(Re)對定向高溫合金組織與性能的影響

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法測試合金(鑄態(tài))的初熔溫度和 γ'回溶溫度。之后對試棒進(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合金的鑄態(tài)和熱處理態(tài)的組織進(jìn)行對比分析，同時(shí)將試棒加工成拉伸和持久性能試樣進(jìn)行力學(xué)性能測試。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 Re含量對合金的初熔溫度的影響

首先采用差熱分析方法(DSC)測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含量對合金性能的影響

Re元素含量對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，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。

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DZ9合金持久性能的影響見圖6。可以看出，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。與此相對應(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。可以看出，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.