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(xué)院金屬研究所，沈陽 110016;2.中航工業(yè)沈陽發(fā)動機設(shè)計研究所，沈陽 110015)

1 引言

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

20世紀60年代，美國發(fā)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(fā)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(guān)強化元素加入量，以保證必要的合金組織性能穩(wěn)定性。因此，抗熱腐蝕高溫合金的應(yīng)用受到其高溫力學(xué)性能的制約。后期發(fā)展的IN792、PWA1483等合金在提高高溫力學(xué)性能上取得重要進展。

20世紀70年代，中國科學(xué)院金屬研究所開始對抗熱腐蝕高溫合金進行系統(tǒng)研究，發(fā)展了與IN738相當(dāng)?shù)腒438合金，同時自主研發(fā)了DZ38G定向凝固合金和DD8單晶合金等，使合金高溫力學(xué)性能不斷提高。為了滿足中國渦輪發(fā)動機技術(shù)高速發(fā)展的要求，又開發(fā)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(dāng)?shù)那疤嵯拢瑢⒑辖鸶邷亓W(xué)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(yīng)爐中熔煉并澆注成母合金錠，在ZGD-2真空單晶爐上應(yīng)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(tài)單晶合金樣品在1204℃/1h+1265℃/1h/風(fēng)（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(yīng)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(guān)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(jié)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(jié)果見表2。該合金表現(xiàn)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(yōu)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(yīng)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(yīng)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(jié)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(dāng)）同時進行熱腐蝕對比試驗，結(jié)果如圖1所示。M09A合金的腐蝕速率比K438(IN738)合金的更低，表現(xiàn)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(qū)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(jié)構(gòu)

M09A合金鑄態(tài)組織如圖2所示，熱處理組織如圖3所示。鑄態(tài)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(qū)域γ′相比較粗大且形狀不規(guī)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(qū)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(wěn)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(jié)構(gòu)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(xiàn)圖4。

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

通過適當(dāng)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(yīng)用單晶技術(shù)，消除晶界，進一步提高該合金的抗熱腐蝕性能、高溫力學(xué)性能和組織穩(wěn)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(shè)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(dāng)（如圖6所示）；M09A合金組織性能穩(wěn)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(yōu)點。用M09A合金制備了復(fù)雜空心渦輪葉片，未出現(xiàn)裂紋、等軸晶、雀斑等缺陷，表現(xiàn)為較好的鑄造工藝性。

5 結(jié)論

在合金電子空位數(shù)計算和抗熱腐蝕與力學(xué)性能研究的基礎(chǔ)上，發(fā)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(dāng)；高溫力學(xué)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(dāng)；組織性能穩(wěn)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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