新型鎳基單晶高溫合金初熔組織的形成

郭振濤

摘 要：本文對兩種新型無錸單晶高溫合金B11、B21的初熔組織形成過程進行了研究。首先利用熱力學計算的方法得出了兩種單晶高溫合金的熱處理窗口，確定了兩種合金的固相線溫度分別為1312℃和1313℃。結果表明：1320℃初熔實驗微觀組織表征中可以看到，B11合金中出現了大量的初熔組織，而這個溫度與B21的初熔溫度接近;初熔組織首先在合金的共晶相附近出現，隨著溫度的升高，初熔組織逐漸連接形成較大的孔洞。

關鍵詞：新型無錸鎳基單晶高溫合金;初熔組織;共晶相

鎳基單晶高溫合金由于在高溫下依然能夠保持較為穩定的拉伸、蠕變和抗腐蝕性能，而被廣泛的用于制作航空發動機中的高壓渦輪葉片和熱端部件[1-2]。與其他類型的高溫合金相比，單晶高溫合金由于消除了晶界缺陷，所以，在高溫下其性能更加穩定，甚至其中一些單晶高溫合金的使用溫度在0.9T熔以上[3]。這種優異的性能促進了單晶高溫合金的快速發展。

單晶高溫合金的鑄態組織中也存在著大量的缺陷，如碳化物、共晶相、枝晶組織等，嚴重削弱了合金的力學性能。這些缺陷的出現本質上都是元素的偏析行為。因此，通常需要對鑄態單晶高溫合金進行固溶處理。在合金固溶處理的過程中，通常選用盡可能高的固溶溫度，一方面可以加快合金元素的擴散，使合金元素均勻化[4];另一方面可以節約合金的熱處理時間，從而節約合金的制造成本。但固溶溫度過高，在固溶組織中會出現初熔組織，影響合金的性能，因此測定合金的初熔溫度以及研究合金初熔組織的形成過程對設計合金的熱處理制度非常重要。

本文所研究的兩種單晶高溫合金是基于第二代鎳基單晶高溫合金所設計的兩種新型無錸單晶高溫合金。基于TC熱力學計算和實驗驗證的方法對合金初熔組織形成過程進行了研究，為該類合金在以后的熱處理制度的制定上提供了理論依據。

1 實驗方法

通過真空感應熔煉（VIM）的方法制備母合金錠，然后在高溫度梯度的定向凝固爐中，將母合金錠澆注成直徑15mm、長170mm的單晶高溫合金試棒，模具的抽拉速度為3.0mm/min。利用晶體衍射儀選取試棒的軸向與<001>方向偏離角在10°以內的試棒作為研究對象。實驗所用的兩種合金，其化學成分如表1所示，合金元素含量的差別主要在于Mo、W元素含量的不同。

采用Thermo-Calc軟件結合TTNi8的熱力學數據庫對合金的固相線溫度、液相線溫度、γ'相分數等進行了計算，計算結果如表2所示。合金的初熔實驗是在CM高溫熱處理爐中進行，爐溫事先經過實驗校準誤差在±5℃。首先利用電火花線切割機將單晶試棒切割成直徑15mm×6mm的圓柱試樣，將試樣放在小坩堝中，并將坩堝放置在熱電偶附近，保證測溫數據的準確性。然后將試樣加熱到預定溫度保溫30min，以保證試樣整體達到該溫度，等到加熱結束對試樣進行空冷處理。空冷后的試樣，經過充分磨制去除表面氧化層的影響后，進行拋光和腐蝕，最后利用光學顯微鏡（OM）和掃描電鏡（SEM）對其進行組織表征。樣品采用化學腐蝕的方法，腐蝕劑為：33%HNO3+33%H2O+33%Acetic acid+1%HF。金相制備完畢后，在Leica DM4000M光學顯微鏡下對其鑄態組織進行觀察，并在Quanta650掃描電子顯微鏡下對其初熔組織進行表征。

2 實驗結果與討論

2.1 單晶高溫合金鑄態組織

兩種合金橫截面和縱剖面的鑄態組織形貌如圖1所示，其中圖1a、圖1c為B11、B21合金試樣的橫截面微觀形貌，圖1b、圖1d為B11、B21合金試樣的縱剖面微觀形貌。從圖中我們可以看出兩種合金均有明顯的枝晶偏析行為，二次枝晶的生長方向分別是[010]和[100]方向。橫截面的枝晶生長呈“+”字狀，且枝晶排列有序，在枝晶間還可以觀察到大量的共晶相存在，但是對比B11和B21兩種合金的枝晶偏析行為也存在明顯的差異，可以看出B21合金中共晶相的含量要高于B11合金，且B21合金的枝晶組織更為明顯，這種現象主要是由元素含量的不同引起偏析程度的不同所造成的[5]。

根據兩種單晶高溫合金的熱力學計算結果，將兩種合金的初熔實驗溫度定為4個溫度，分別為：1320℃、1330℃、1340℃、1350℃。合金的加熱方式為：首先將爐子以15℃/min的速率升溫到1250℃，然后再以5℃/min的速率升到目標溫度，保溫30min，最后空冷，加熱曲線如圖2所示。空冷后的試樣按照實驗部分的方法進行準備，對不同溫度初熔實驗后的樣品進行組織表征，其結果如圖3所示。經過初熔實驗，兩種合金中的偏析行為均有所減輕。在1320℃初熔實驗后，可以看到B11合金出現大量的初熔組織，而在B21合金中幾乎看不到初熔組織，直到1330℃才觀察到有明顯的初熔組織出現，且兩種合金的初熔組織都在共晶相周圍出現。隨著溫度的進一步升高，初熔組織發生連接形成孔洞缺陷。根據已有的文獻[6-7]報道，合金的初熔組織首先會在共晶相或枝晶間出現，主要是因為這些區域富集大量的低熔點元素C、B等，通常這些元素的含量越高合金的初熔點越低。

3 結論

（1）本研究所選用的合金鑄態組織明顯，橫截面的枝晶組織呈“+”字形貌，共晶相主要出現在兩種合金的枝晶間區域。通過對比可以發現B21合金有更加明顯的偏析傾向。

（2）從1320℃兩種合金的初熔實驗微觀組織表征結果中可以看到，B11合金中出現了大量的初熔組織，而這個溫度與B21的初熔溫度接近。

（3）從這兩種合金的初熔實驗組織表征結果中可以發現，單晶高溫合金的初熔組織首先在共晶相和枝晶間出現，隨著溫度的升高相鄰的初熔組織會連接在一起形成初熔通道，最后變為孔洞。

參考文獻：

[1]Giamei A F.Development of Single Crystal Superalloys：A Brief History[J].Advanced Materials & Processes，2013，171（9）：26-30.

[2]陳榮章.單晶高溫合金發展現狀[J].材料工程，1995，000（008）：3.

[3]郭建亭.高溫合金材料學.上冊[M].科學出版社，2008.

[4]Caldwell E C，Fela F J，Fuchs G E.The segregation of elements in high-refractory-content single-crystal nickel-based superalloys[J].Jom，2004，56（9）：44-48.

[5]Long F，Yoo Y S，Seo S M，et al.Effect of Re Addition and Withdrawal Rate on the Solidification Behavior of Directionally Solidified Superalloy AM3[J].材料科學技術學報：英文版，2011，027（002）：101-106.

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