新型高強度抗熱腐蝕單晶高溫合金研究

鄭 啟，楊金俠，胡壯麒，騰百秋

(1.中國科學院金屬研究所，沈陽 110016;2.中航工業沈陽發動機設計研究所，沈陽 110015)

1 引言

海洋環境下應用的航空發動機、艦船發動機以及地面工業燃氣輪機的渦輪高溫部件要具有良好的高溫力學性能和特殊的抗熱腐蝕性能。

20世紀60年代，美國發展了典型的抗熱腐蝕高溫合金IN738，其抗熱腐蝕性能幾乎成為后來抗熱腐蝕合金發展的對照基點。顯然，Cr是提高合金抗熱腐蝕性能的重要元素[1]。但隨合金中Cr含量的提高，常需要降低相關強化元素加入量，以保證必要的合金組織性能穩定性。因此，抗熱腐蝕高溫合金的應用受到其高溫力學性能的制約。后期發展的IN792、PWA1483等合金在提高高溫力學性能上取得重要進展。

20世紀70年代，中國科學院金屬研究所開始對抗熱腐蝕高溫合金進行系統研究，發展了與IN738相當的K438合金，同時自主研發了DZ38G定向凝固合金和DD8單晶合金等，使合金高溫力學性能不斷提高。為了滿足中國渦輪發動機技術高速發展的要求，又開發了高強度抗熱腐蝕M09A單晶高溫合金，試圖在保持抗熱腐蝕性能與IN738合金的性能相當的前提下，將合金高溫力學性能提高到第1代單晶合金的水平。

2 試驗過程和方法

試驗用M09A合金的名義成分見表1。

表1 M09A合金的名義成分 w/%

合金在真空感應爐中熔煉并澆注成母合金錠，在ZGD-2真空單晶爐上應用選晶法制備直徑為16 mm的單晶合金樣品。單晶合金樣品軸向取向為〈001〉方向，偏離度均小于5°。

將鑄態單晶合金樣品在1204℃/1h+1265℃/1h/風（扇）冷+1080℃/4h/空冷條件下進行熱處理。將熱處理樣品加工成相應試樣，包括拉伸、持久、疲勞、腐蝕以及金相等試樣，并測定合金的相關性能。其中腐蝕試驗采用涂鹽法，試驗溫度為900℃，涂鹽成分為75%(w(Na2SO4)+25%(w(NaCl))。合金的組織觀察主要在掃描電鏡下進行。

3 試驗結果

3.1 拉伸性能

M09A合金在室溫、850℃和1000℃條件下的拉伸性能測試結果見表2。該合金表現出較高的拉伸性能，特別是在1000℃仍然保持較高強度水平，在中溫下其塑性優異。

表2 M09A合金拉伸性能

3.2 高溫持久性能

M09A合金在不同溫度和應力條件下的持久性能見表3。作為抗腐蝕鎳基合金，其高溫持久性能非常突出。

表3 M09A合金的持久性能

3.3 機械疲勞性能

M09A合金在900℃、應力為400 MPa典型條件下的高周旋彎疲勞（R=-1，2個樣品）壽命測試結果為4×106和 9×106周。

3.4 抗熱腐蝕性能

熱腐蝕試驗采用恒溫涂鹽失重法，試驗溫度為900℃，涂鹽成分為75%(w(Na2SO4)+25%(w(NaCl))，并取K438合金（與IN738合金相當）同時進行熱腐蝕對比試驗，結果如圖1所示。M09A合金的腐蝕速率比K438(IN738)合金的更低，表現出良好的抗熱腐蝕性能。

3.5 主要物理性能

采用DSC方法測定M09A合金的熔化溫度區間為1302～1348℃，采用金相法測得的初熔溫度為1265℃，用阿基米德法測得的合金密度為8.37 g/cm3。

3.6 組織結構

M09A合金鑄態組織如圖2所示，熱處理組織如圖3所示。鑄態組織由γ基體、γ′相和γ′/γ共晶等基本組成相組成，存在較多的共晶組織（如圖2（a）所示），枝晶間區域γ′相比較粗大且形狀不規則（如圖2（c）所示）。熱處理后，共晶組織消失（如圖3（a）所示），γ′相得到細化，尺寸形貌趨于一致，已難以區分枝晶干和枝晶間組織（如圖3（b）所示）。

3.7 長期時效組織性能穩定性

M09A合金在900℃長期時效，檢驗1000 h后合金持久性能和組織結構變化，與合金時效之前和時效1000 h后的持久壽命對比見表4。從表中可見持久壽命變化非常小。

表4 900℃長期時效前和時效1000 h后M09A合金的持久性能（980℃/220 MPa）的變化

M09A合金長期時效前和時效1000h后的組織形貌對比如圖4所示。從圖中可見，在900℃時效1000h后，組織變化并不明顯，γ′略有粗化，但未見TCP相出現圖4。

采用PHACOMP法計算M09A合金平均電子空位數（Nv）為2.363，小于形成TCP相的電子空位數臨界值2.52[2]，也證明合金組織相對穩定。

4 提高抗熱腐蝕性能的因素

在鎳基高溫合金中，Cr是提高合金抗熱腐蝕性能的主要元素，但Cr增加TCP相的形成趨向，所以限制了其它強化元素的加入，這也是抗熱腐蝕高溫合金高溫強度普遍偏低的原因，不能滿足先進發動機的發展要求。

通過適當控制 Cr含量（wCr＝11.0～15.0），既保證M09A合金良好的抗腐蝕性能，也為增加主要強化元素（Al、Ti、W、Mo、Ta等）的含量提供可能，增強M09A合金沉淀強化和固溶強化水平。同時應用單晶技術，消除晶界，進一步提高該合金的抗熱腐蝕性能、高溫力學性能和組織穩定性。Ta元素在γ和γ′相中均有分布，起到良好的強化作用，并且不易形成TCP相[3]。Ti比Al的偏析傾向大，具有促進TCP相形成的作用[3]。綜合這些因素所設計的M09A合金，其抗熱腐蝕性能達到K438（IN738）合金的水平（圖1）；其拉伸性能和高溫持久性能超過了已有的抗熱腐蝕合金以及典型的DZ125高強度定向凝固合金的（如圖5所示），與第1代單晶合金的水平相當（如圖6所示）；M09A合金組織性能穩定。特別是M09A合金不含Re、Ru、Hf等貴重金屬元素，具有成本低、密度小的優點。用M09A合金制備了復雜空心渦輪葉片，未出現裂紋、等軸晶、雀斑等缺陷，表現為較好的鑄造工藝性。

5 結論

在合金電子空位數計算和抗熱腐蝕與力學性能研究的基礎上，發展了1種新型高強度抗熱腐蝕單晶高溫合金M09A。M09A合金抗熱腐蝕性能與K438（IN738）合金的相當；高溫力學性能超過已有的抗熱腐蝕合金和典型的高強度定向凝固合金DZ125的，并與第1代單晶水平相當；組織性能穩定，不含Re、Ru、Hf等貴重金屬元素，成本低，密度小；具有較好的鑄造性能。

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