抽拉速率對(duì)DD6單晶高溫合金組織的影響

張明軍,駱宇時(shí),肖程波,唐定中,吳仲棠

(北京航空材料研究院先進(jìn)高溫結(jié)構(gòu)材料國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100095)

抽拉速率對(duì)DD6單晶高溫合金組織的影響

張明軍,駱宇時(shí),肖程波,唐定中,吳仲棠

(北京航空材料研究院先進(jìn)高溫結(jié)構(gòu)材料國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100095)

采用不同的抽拉工藝制備DD6單晶合金,分析了DD6單晶合金的顯微組織,研究了不同抽拉工藝對(duì)DD6合金組織的影響。結(jié)果表明,隨著抽拉速率的降低,DD6合金一次枝晶間距增加,枝晶干和枝晶間γ′相尺寸變大,共晶組織呈粗化趨勢(shì),γ2γ′共晶組織含量減少,合金中主要元素偏析程度減輕。

單晶高溫合金;抽拉速率;組織

鎳基高溫合金以其優(yōu)異的高溫性能,一直是制造先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)葉片的首選材料。單晶高溫合金及其制備的渦輪葉片也已經(jīng)廣泛應(yīng)用在先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)上[1-3]。DD6合金作為我國(guó)自主研制的第二代單晶高溫合金,含Re量只有1.6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)～2.4%(國(guó)外第二代Re含量3%),具有低成本優(yōu)勢(shì),且性能達(dá)到甚至超過國(guó)外應(yīng)用的第二代單晶合金水平[4-7],獲得了廣泛的應(yīng)用。本工作研究了不同抽拉速率對(duì)DD6合金組織的影響。

1 實(shí)驗(yàn)方法

在真空感應(yīng)熔煉爐中制備母合金,在ISP2Ⅲ真空感應(yīng)定向結(jié)晶爐中用螺旋選晶法制備[001]取向單晶合金試樣,抽拉速率分別為4mm/min,3mm/min和2mm/min,其他鑄造參數(shù)相同。采用單位面積計(jì)算法測(cè)定一次枝晶間距,采用DM 4000M金相顯微鏡觀察枝晶和共晶組織形貌,采用quanta600環(huán)境掃描電子顯微鏡觀察相組織,采用能譜分析測(cè)定枝晶干和枝晶間主要元素含量。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 抽拉速率對(duì)枝晶間距的影響

圖1為不同抽拉速率下DD6合金組織,可以看出,隨著抽拉速率的降低,DD6合金組織逐漸由細(xì)枝狀變?yōu)榇种罱M織,枝晶花樣粗大,二次枝晶變少,一次枝晶間距逐漸變大。單位面積計(jì)算法測(cè)得一次枝晶間距分別為338,430,447μm。圖2為抽拉速率與枝晶間距的曲線擬合關(guān)系。

2.2 抽拉速率對(duì)鑄態(tài)組織的影響

圖3為不同抽拉速率下DD6合金SEM組織形貌?？梢钥闯?枝晶干處的γ′細(xì)小,形貌基本呈規(guī)則的立方體形狀,枝晶間處γ′較粗大,且呈不完全規(guī)則的立方體形狀。隨著抽拉速率的降低,枝晶干和枝晶間的γ′尺寸都增大。在單晶高溫合金鑄態(tài)組織中,γ′相絕大部分是由過飽和的γ相中析出,抽拉速率越小,冷卻速率越小,γ′形核過冷度越小,形核數(shù)量相應(yīng)減少,長(zhǎng)大時(shí)間較長(zhǎng),因而γ′相尺寸較大,形狀呈不完全規(guī)則的立方體形狀。圖3(g)和3(h)是抽拉速率3mm/m in熱處理后的組織,對(duì)比同樣抽拉速率的鑄態(tài)組織(圖3(c)和3(d)),可見,熱處理后,γ′立方化程度更好,并且析出更細(xì)小的γ′相。

圖1 不同抽拉速率下DD6合金枝晶形貌(a)4mm/min;(b)3mm/min;(c)2mm/minFig.1 Dendrite morphologies of alloy DD6 at different w ithdraw ing rates (a)4mm/min;(b)3mm/min;(c)2mm/min

圖2 抽拉速率與枝晶間距的曲線擬合關(guān)系Fig.2 Relationship betw een dendrite arm spacing and the w ithdraw ing rates

2.3 抽拉速率對(duì)γ2γ′共晶組織的影響

圖4為不同抽拉速率下DD6合金γ2γ′共晶組織形貌?？梢钥闯?共晶組織中尺寸較大的呈光板狀和葵花狀,尺寸較小的呈塊狀。在相鄰較大共晶組織間有大量的粗大鑄態(tài)γ′相連在一起,使鄰近塊狀共晶組織構(gòu)成骨架狀。在共晶組織周圍偶爾能看到有少量碳化物相。因?yàn)镈D6合金中碳含量只有0.001%～0104%,形成的碳化物含量極少。在尺寸較大的葵花狀共晶組織中有大量的細(xì)小γ′析出,析出的細(xì)小γ′從中心往四周呈發(fā)散趨勢(shì)。隨著抽拉速率的降低,共晶組織呈粗化趨勢(shì),百分含量減少,金相分析其含量分別為6.2%,5.6%和5.3%。

圖3 不同抽拉速率下DD6合金微觀組織形貌(a)鑄態(tài)枝晶干,4mm/min;(b)鑄態(tài)枝晶間,4mm/min;(c)鑄態(tài)枝晶干,3mm/min; (d)鑄態(tài)枝晶間,3mm/m in;(e)鑄態(tài)枝晶干,2mm/m in;(f)鑄態(tài)枝晶間,2mm/min; (g)熱處理后枝晶干,3mm/min;(h)熱處理后枝晶間,3mm/minFig.3 γ′mo rphologies of alloy DD6 at different w ithdraw ing rates (a)dendritic co re,4mm/min;(b)interdendritic,4mm/min;(c)dendritic co re,3mm/min;(d)interdendritic,3mm/min; (e)dendritic co re,2mm/min;(f)interdendritic,2mm/min;(g)heat treatment regime dendritic core,3mm/min; (h)heat treatment regime interdendritic,3mm/min

圖4 不同抽拉速率下DD6合金γ2γ′共晶組織形貌(a),(b)4mm/min;(c),(d)3mm/min;(e),(f)2mm/minFig.4 Eutectic morphologies ofγ2γ′of alloy DD6 at different withdrawing rates (a),(b)4mm/min;(c),(d)3mm/min;(e),(f)2mm/min

2.4 抽拉速率對(duì)枝晶元素偏析的影響

表1為不同抽拉速率下DD6合金主要元素枝晶干和枝晶間化學(xué)成分與偏析比?？梢钥闯?在DD6合金定向凝固組織中,A l,Cr,Nb,Mo,Ta主要偏析于枝晶間,Co,W,Re主要偏析于枝晶干。其中Nb, Ta,W,Re的偏析嚴(yán)重,而Cr,Ni,Mo偏析不大。從表1可以看出,隨著抽拉速率的降低,各元素的偏析程度有減輕的趨勢(shì),偏析比更趨于1。原因是抽拉速率降低,枝晶界面形核過冷度變小,樹枝晶二次分枝不易生長(zhǎng),枝晶間液相流動(dòng)擴(kuò)散更容易,從而合金元素更容易均勻化,偏析程度減輕。但偏析減輕程度并不明顯,主要是各抽拉速率之間的差距并不大。經(jīng)熱處理后,除W和Re的偏析比仍在0.8左右外,其余元素偏析比都接近1,偏析基本上消除。由于金屬元素中W和Re熔點(diǎn)最高,固溶體在結(jié)晶過程中,先凝固的枝晶干易富集高熔點(diǎn)組元W和Re等,而后凝固的枝晶間部分則易富集A l,Ti等熔點(diǎn)較低組元。因Re具有較低的擴(kuò)散系數(shù)和較高的γ/γ′分配系數(shù),熱處理過程很難對(duì)其偏析進(jìn)行有效消除。也有文獻(xiàn)資料解釋Re的加入增加了合金其他元素的偏析程度[8-10]。

表1 不同抽拉速率下DD6合金枝晶干和枝晶間化學(xué)成分與偏析比(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Composition of dendrite and interdendrite and co rresponding segregation ratios(C inter/C core)at different w ithdraw ing rates(mass fraction/%)

3 結(jié)論

在所研究的2～4mm/min抽拉速率,隨著抽拉速率降低,一次枝晶間距增加,枝晶干和枝晶間γ′尺寸稍有增大,形狀呈不完全規(guī)則的立方體形狀,共晶組織呈粗化趨勢(shì),γ2γ′共晶含量逐漸減少,主要合金元素偏析程度減輕。

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Effect of W ithdraw ing Rate on M icrostructure of Single Crystal Superalloy DD6

ZHANGM ing2jun,LUO Yu2shi,XIAO Cheng2bo, TANGDing2zhong,WU Zhong2tang
(National Key Laboratory of Advanced High Temperature Structural M aterials,Beijing Institute of Aeronautical Materials,Beijing 100095,China)

The effectof w ithdraw ing rate on microstructure of single crystal superalloy DD6 was inves2 tigated.The results show that,w ith the decreasing of w ithdraw ing rate,the p rimary dendrite arm spacing increases,the size ofγ′phase in the dendrite co re and in the interdendrite increases slightly, the volume fraction ofγ2γ′eutetic decreases,and the segregation of main elements decreases.

single crystal superalloy;w ithdraw ing rate;microstructure

TG132.2

A

100124381(2010)1120008203

2009206202;

2010201228

張明軍(1982—),男,工程師,主要從事鑄造高溫結(jié)構(gòu)材料及其工藝研究,聯(lián)系地址:北京市81信箱1分箱(100095),E2mail: zm j240@yahoo.com.cn