長期時效對燃氣輪機葉片用鎳基高溫合金微觀組織的影響

王磊

摘 ?要：燃氣輪機功率的不斷提高，其技術依據是提高透平初溫，所以，在這個過程中，就相應地提高了對于葉片材料的承溫能力要求。就以當前設備中的初溫水平來看，透平動、靜葉部分的材料大多為鎳基高溫合金，該材料的耐高溫性較好。隨著工藝水平的提高，進氣溫度也在升高，部分設備的進氣溫度甚至已經接近合金材料熔點的80%，這對材料的使用年限造成了一定的影響。如果對材料的使用年限沒有準確的估計，則會影響設備運行的安全性。

關鍵詞：鎳基高溫合金;長期時效;碳化物

燃氣渦輪發動機運行工況特殊，所以也給材料的性能提出了較高的要求，其中鎳基高溫合金的應用比重很高。在高溫環境下，鎳基高溫合金仍然可以發揮出較好的使用效果，比其他材料更適合在高溫環境下長期工作，加之其具有較強的抗腐蝕性能，所以是一種非常重要的零部件，在冶金業界倍受關注。本文針對其長期時效下的微觀組織影響情況進行了分析和總結。

1 鎳基合金簡介

鎳基合金材料是一種有良好高溫性能的合金材料，該材料的基體是鎳，在近1000℃的環境下仍然可以保持良好的強度以及抗氧化能力。鎳基合金的發展是以Cr20Ni80為基礎的，為了增加材料的抗高溫能力而在其中加入了大量的元素起到強化效果，如Mo、Ti、Co、Nb等等，和其他合金材料相比，鎳基合金不僅僅在高溫性能上存在優勢，同時在抗氧化、腐蝕能力上也尤為出色。鎳基合金以其優異的應用性能，在我國的航空領域、汽車制造行業得到了廣泛應用。隨著時代的發展和技術工藝的進步，人們對鎳基合金的應用性能也提出了更高的要求，學界也在研究鎳基合金的加工新工藝，如等溫鍛造和和擠壓變形等等。

2 長期時效下鎳基合金微觀組織的影響

2.1 材料制備及實驗方法

合金名義成分為0.1C，15Cr，lOCo，4W，2Mo，5Ta，4A1，微量B+Zr+Hf，余量為Ni，實驗合金在真空定向結晶爐內經感應熔煉后澆注為定向柱晶試棒，經標準熱處理后分別在電爐中經800℃、850℃、900℃長期時效處理，每個溫度下時效時間設定為1000h、3000h、5000h。試樣取定向鑄晶試棒的橫截面，經拋光、化學腐蝕后在JEM斟90型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察長期時效試樣微觀組織，用附帶的能譜（EDS）儀對析出相進行成分分析。沉淀相尺寸、體積分數用定量分析軟件在掃描圖片上進行統計，強化相尺寸取顆粒邊長或半徑的平均值，并認為析出相的體積分數與面積分數相等。用TeenaiG2-20STwin型透射電鏡（TEM）鑒別碳化物類型。

2.2 實驗結果及分析

2.2.1 標準熱處理態試樣的組織。圖1（a）顯示實驗合金標準熱處理態試樣γ'相為規則排列的立方形，平均邊長250am，體積分數約48%。圖1（b）選區衍射結果表明γ'與γ基體保持共格關系。另外，圖1（C）顯示合金中含有一定量的一次碳化物，碳化物分布不均，枝晶間數量較多，形態主要有塊狀、條狀、枝狀等。EDS和元素含量分別見圖1（d）和表1。分析表明，該類碳化物為富含Ta、Ti、w元素的一次MC型碳化物。

2.2.2 γ'相粗化。圖2為實驗合金在長期時效過程中γ'相的演化。經800℃×5000h后，γ'相長大不明顯，僅棱角有些熔解。850℃處理溫度下隨時效時間的延長，棱角逐漸熔解，顆粒緩慢長大，伴隨小部分γ'顆粒筏化;900℃處理溫度下隨時效時間的延長，γ'相長大迅速，并有更多γ'筏化，一些γ'顆粒與鄰近的顆粒連接在一起而呈長條狀，但仍可觀察到有許多顆粒保持四方形，具有一定立方度，反映了合金有一定的穩定性。另外，可以觀察到隨著γ'顆粒的長大，γ'顆粒間的間距增大。

2.2.3 γ'相體積分數變化

800℃和850℃時效時，隨時效時間延長，γ'相體積分數略有增加，而在900℃時效時17相體積分數隨時效溫度的變化不大，即在900℃時效時，γ'相大顆粒的長大和小顆粒的溶解速度基本相當。隨時效溫度的升高和時間的延長，γ'相體積分數的變化很小，而γ'顆粒長大較快，因而必然使γ'顆粒數量減小，顆粒之間的間距增大。在長期熱暴露或服役期間，高溫合金組織的退化在很大程度上依賴于MC碳化物的穩定性。一次MC碳化物越穩定，越不易析出TCP相。反之，如果一次MC碳化物不穩定，則會在高溫下析出其他類型的二次碳化物。

3 鎳基高溫合金的發展趨勢展望

結合當前的應用方式和技術發展方向，鎳基高溫合金的發展趨勢主要可以概括為三點，強度會進一步提高、抗熱腐蝕性會加強，密度也會越來越小、自重會隨之減輕。在材料強度方面，可以在合金材料中加入Al、Ti等等因素，可以讓強化相的數量得到保證，加入W、Mo以及Re等等較難熔的金屬元素也可以有效地提高材料整體強度。加入Ru元素是提高材料整體穩定性的重要手段，用于避免析出有害相。所以隨著技術的進一步發展，材料強度會越來越高。單晶合金的應用會得到推廣，抗熱腐蝕性能更是單晶合金材料性質中的關鍵，所以為了提高熱腐蝕抗性，可以添加難熔金屬的時，保證Cr元素的含量。

4 總結

在前文中，可以看出鎳基高溫合金在高溫合金當中的地位非常重要，現在也是燃氣輪機葉片的主要制造材料，結合該材料的特點和用途，鎳基合金還有待于進一步的發展。無論是飛行器發動機還是工業燃氣輪機，在未來對材料的長期服務要求都會越來越嚴格，同時在其他性能參數，如抗疲勞能力、熱膨脹系數和彈性模量行程。所以對于我國燃氣輪機的生產和發展來說，研制有更高承溫能力的材料意義重大。本文針對長期時效對燃氣輪機葉片用鎳基高溫合金微觀組織的影響進行了分析。

參考文獻

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