鎳基單晶合金初始細(xì)觀結(jié)構(gòu)及變形影響因素研究

曹娟

（中航空天發(fā)動(dòng)機(jī)研究院，北京100028）

鎳基單晶合金初始細(xì)觀結(jié)構(gòu)及變形影響因素研究

曹娟

（中航空天發(fā)動(dòng)機(jī)研究院，北京100028）

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外大量鎳基單晶合金的細(xì)觀試驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)論進(jìn)行分析，給出了單晶合金細(xì)觀2相結(jié)構(gòu)的主要變形特征，并研究得到影響單晶合金初始細(xì)觀結(jié)構(gòu)及其變形的3個(gè)因素分別為γ′初始尺寸、形狀及γ/γ′初始錯(cuò)配度。結(jié)果表明：在高溫、較高應(yīng)力的條件下，γ′的初始尺寸為0.45 μm（γ′體積分?jǐn)?shù)約為70%），初始形狀為立方塊且不發(fā)生任何預(yù)筏化，初始錯(cuò)配度為負(fù)且絕對(duì)值較大時(shí)，合金的綜合力學(xué)性能最佳。

鎳基單晶合金；初始細(xì)觀結(jié)構(gòu)；變形；影響因素

0 引言

由于具有獨(dú)特的細(xì)觀2相共格結(jié)構(gòu)，鎳基單晶合金在高溫下比一般的單相固溶強(qiáng)化合金有更好的抗蠕變性能，因此在航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)葉片上得到了廣泛應(yīng)用[1]。鎳基單晶合金是計(jì)算好合金成分后，通過(guò)合金熔煉、定向凝固和一系列條件的熱處理過(guò)程而形成的。在合金成分不變時(shí)，在不同的定向凝固過(guò)程和熱處理?xiàng)l件下，可以得到細(xì)觀結(jié)構(gòu)不同、力學(xué)性能有差異的單晶合金。因此如何獲得最佳的γ和γ′初始尺寸、形狀和錯(cuò)配度等狀態(tài)，成為保證單晶合金優(yōu)異力學(xué)性能的前提條件，確定材料在不同工作條件下最好的細(xì)觀初始狀態(tài)也成為從細(xì)觀角度研究其力學(xué)性能的重要目的之一。

本文對(duì)國(guó)內(nèi)外大量相關(guān)文獻(xiàn)描述的試驗(yàn)現(xiàn)象和得出的結(jié)論進(jìn)行分析，給出了鎳基單晶合金的細(xì)觀2相結(jié)構(gòu)和變形特征，根據(jù)結(jié)論得出影響鎳基單晶合金細(xì)觀初始結(jié)構(gòu)及其變形特征的3個(gè)因素。通過(guò)得到單晶合金最佳力學(xué)性能的細(xì)觀初始結(jié)構(gòu)，加深對(duì)其力學(xué)性能在物理本質(zhì)上的理解，為鎳基單晶合金的制造和性能評(píng)估提供參考。

1 鎳基單晶合金細(xì)觀結(jié)構(gòu)及變形特征

合金的強(qiáng)化主要有固溶強(qiáng)化和第2相（沉淀相）強(qiáng)化2種方式[2]，鎳基單晶合金除了其組成2相本身的固溶強(qiáng)化以外，還有第2相（沉淀相）的重要強(qiáng)化作用。其細(xì)觀的2相結(jié)構(gòu)由金屬Ni基體（γ相）和析出的中間相Ni3Al（γ′相）組成，如圖1所示，其中AM1為法國(guó)第1代單晶材料。鎳基單晶中沉淀相γ′（強(qiáng)化相）是隨機(jī)分布在基體γ相中的，如果固溶處理和時(shí)效處理得當(dāng)，可以近似看作大小基本相似的立方γ′均勻分布在γ基體通道中間。對(duì)單晶試樣沿著某晶體方向剖開(kāi)或進(jìn)行切片、拋光、腐蝕等操作后，使其可觀測(cè)厚度達(dá)到微米量級(jí)，然后用掃描電鏡（SEM）或透射電鏡（TEM）對(duì)其進(jìn)行觀察，可見(jiàn)其細(xì)觀結(jié)構(gòu)及分布。對(duì)試樣做拉伸、扭轉(zhuǎn)或循環(huán)等各種載荷形式的試驗(yàn)后，用同樣方法對(duì)剖面或切片進(jìn)行觀察，可見(jiàn)其細(xì)觀結(jié)構(gòu)的演化和位錯(cuò)的分布狀態(tài)，而這種受力后的晶相組織結(jié)構(gòu)演化是與合金的初始狀態(tài)密不可分的。

圖1 AM1不同熱處理方法得到的不同細(xì)觀結(jié)構(gòu)[5]

Ni3Al金屬間化合物具備反常的溫度效應(yīng)，即其屈服強(qiáng)度會(huì)隨溫度的升高而增大，直至達(dá)到某一峰值溫度后開(kāi)始減??；同時(shí)具有長(zhǎng)程有序結(jié)構(gòu)的Ni3Al也兼有低擴(kuò)散系數(shù)和高擴(kuò)散蠕變抗力[3]。Ni3Al嵌入Ni基體當(dāng)中，構(gòu)成有畸變的共格結(jié)構(gòu)和γ/γ′2相界面，使鎳基單晶合金具有優(yōu)于其他合金的高溫抗蠕變、高溫抗氧化和熱機(jī)械疲勞性能[4]。

鎳基單晶雙相合金的蠕變行為既明顯優(yōu)于單獨(dú)的γ相，也優(yōu)于單獨(dú)的γ′相[3,6]。因此，合金的最佳力學(xué)性能并不是以其中的某1相作為極限，而是2相以一定比例共存。在變形的初始和相對(duì)穩(wěn)定階段，尤其是在溫度較高和應(yīng)力水平相對(duì)較低時(shí)，導(dǎo)致塑性變形的位錯(cuò)大都會(huì)被限制在γ基體通道內(nèi)，而γ′粒子則會(huì)發(fā)生沿某些方向互相連接長(zhǎng)大（筏化）的現(xiàn)象，從而形成基體和沉淀相相互間隔的層狀組織，此時(shí)γ′不易被切割，從而阻礙了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。位錯(cuò)在基體中會(huì)發(fā)生各種交互作用，導(dǎo)致大部分的可動(dòng)位錯(cuò)需要較大的能量，通過(guò)攀移越過(guò)γ′才能產(chǎn)生塑性變形，因而此種2相結(jié)構(gòu)在高溫下可以有效抑制蠕變率的增大。

在拉伸載荷的條件下，鎳基單晶合金的力學(xué)性能按照溫度大體可以分為3個(gè)區(qū)間：（1）在750℃以下（低溫）時(shí)，材料的屈服應(yīng)力基本保持不變，與加載速率無(wú)關(guān)；（2）在750～900℃（中溫）時(shí)，達(dá)到最大屈服應(yīng)力的峰值溫度隨應(yīng)變率的變化而變化，低應(yīng)變率時(shí)峰值溫度偏低，高應(yīng)變率時(shí)峰值溫度偏高；（3）在900℃以上（高溫）時(shí)，屈服強(qiáng)度隨溫度幾乎呈線性減小，溫度不變時(shí)，屈服應(yīng)力隨應(yīng)變率的減小而降低[7]。

在蠕變條件下，鎳基單晶合金主要表現(xiàn)出蠕變強(qiáng)度的拉壓不對(duì)稱和各向異性的特征[8]。Kakehi[9]認(rèn)為導(dǎo)致這種拉壓不對(duì)稱的原因是孿晶產(chǎn)生導(dǎo)致的，在[001]和[011]方向上都會(huì)產(chǎn)生孿晶，出現(xiàn)不對(duì)稱的現(xiàn)象，而在[111]方向則相反。大量文獻(xiàn)中對(duì)蠕變性能的晶體取向相關(guān)性進(jìn)行了研究，對(duì)3個(gè)典型方向蠕變強(qiáng)度優(yōu)劣的評(píng)價(jià)不一。Sass[10]研究認(rèn)為蠕變率的大小與各方向上參與蠕變的基體通道數(shù)目有關(guān)，在[001]、[011]和[111]3個(gè)方向上參與蠕變的基體通道分別為1、2和3，因此在這3個(gè)方向上的蠕變率也依次增大，但也有的研究表明，不同單晶材料在不同溫度下的壽命長(zhǎng)短次序不一致。

2 鎳基單晶合金細(xì)觀結(jié)構(gòu)和變形影響因素

2.1 γ′初始尺寸

沉淀相γ′是鎳基單晶合金的主要強(qiáng)化相，其形態(tài)、尺寸及在基體中的分布對(duì)合金的性能有最直接的影響，一般認(rèn)為具有合適尺寸的γ′以立方狀均勻分布在基體中時(shí)，具有最好的強(qiáng)化作用。但γ′的初始尺寸和材料性能的關(guān)系較為復(fù)雜，對(duì)于不同的單晶合金和不同取向，其最佳尺寸不盡相同。Caron和Khan認(rèn)為在CMSX-2合金中γ′的尺寸為0.45 μm（γ′體積分?jǐn)?shù)約為70%）時(shí)，可獲得最佳的蠕變性能，Harris等工作也表明平均尺寸為0.45 μm的γ′使CMSX-4合金的蠕變強(qiáng)度最大高[5]。Nathal[11]的研究認(rèn)為γ′的最佳尺寸隨γ/γ′2相錯(cuò)配度的不同而變化，且當(dāng)錯(cuò)配度越大時(shí)，γ′尺寸對(duì)蠕變的影響越明顯，如圖2所示。法國(guó)宇航局的研究結(jié)果表明，在不同晶體取向中上的最佳γ′尺寸不同，γ′為0.5 μm時(shí)[001]取向的中溫蠕變強(qiáng)度最高最大，而[111]取向獲得最高持久強(qiáng)度的γ′尺寸為0.2 μm，γ′為0.3 μm時(shí)可使 [001]和[111]取向之間的蠕變各向異性消失[2]。

圖2 不同錯(cuò)配度時(shí)γ′初始尺寸對(duì)蠕變壽命的影響[11]

常見(jiàn)的鎳基單晶合金中γ′的體積分?jǐn)?shù)通常較大，為了明確2相的體積分?jǐn)?shù)在宏觀力學(xué)性能中所起的作用，Murakumo等[12]以第3代鎳基單晶合金TMS-75（含γ′的體積分?jǐn)?shù)為65%）為標(biāo)準(zhǔn)材料，制造了成分相同，但所含γ′體積分?jǐn)?shù)不同 （分別為0、20%、40%、60%、70%、80%和100%）的系列單晶合金，在900℃下進(jìn)行蠕變壽命比較，得出單獨(dú)的γ或γ′的蠕變強(qiáng)度都不如γ/γ′2相的大，即鎳基單晶蠕變強(qiáng)度受γ/γ′2相共同作用的影響大，當(dāng)γ′體積分?jǐn)?shù)為65%～70%時(shí)，蠕變強(qiáng)度最佳，如圖3所示。且當(dāng)2界面的總面積越大時(shí)，結(jié)構(gòu)處于越穩(wěn)定的狀態(tài)。在已發(fā)展的5代鎳基單晶合金中，γ′的體積分?jǐn)?shù)也都較大，如CMSX-3和SRR99的γ′體積分?jǐn)?shù)均為70%左右。

圖3 γ′體積分?jǐn)?shù)與蠕變壽命的關(guān)系[12]

γ′的體積分?jǐn)?shù)對(duì)單晶合金的拉伸性能也會(huì)產(chǎn)生影響。Tinga等[13]對(duì)比試驗(yàn)?zāi)M了CMSX-4合金在850℃下應(yīng)變率控制的單調(diào)拉伸曲線，反映出材料的拉伸軟化現(xiàn)象，此時(shí)當(dāng)γ′的體積分?jǐn)?shù)減小時(shí)，其屈服應(yīng)力和穩(wěn)態(tài)流動(dòng)應(yīng)力也逐漸減小。在模擬計(jì)算中改變細(xì)觀胞元模型的3維尺寸，但保持γ′的體積分?jǐn)?shù)不變，則尺寸減小時(shí)屈服應(yīng)力增大 （通道變窄使阻礙位錯(cuò)開(kāi)動(dòng)的Orowan應(yīng)力增大），尺寸增大時(shí)屈服應(yīng)力減小。

γ′的初始尺寸同樣也會(huì)影響其筏化。Socrate和Parks[14]研究表明，如果γ′的初始直徑小于0.2 μm，則變形過(guò)程中γ′的厚度有增加的跡象；如果γ′的直徑為0.2～0.7 μm，則其厚度基本保持不變；而當(dāng)γ′的初始直徑大于0.7 μm時(shí)，又有變薄的趨勢(shì)，因此認(rèn)為存在“臨界晶粒尺寸”決定γ′的厚度在穩(wěn)定階段的變化。

γ′的體積分?jǐn)?shù)隨著溫度的不同也會(huì)發(fā)生變化。Royer等[15]認(rèn)為在溫度不高時(shí)，筏化結(jié)構(gòu)基本不會(huì)引起γ′的體積分?jǐn)?shù)的變化，但在1000℃以上時(shí)γ′會(huì)逐漸溶解導(dǎo)致體積分?jǐn)?shù)減小，這與文獻(xiàn) [16]中描述的Rene95和U-700等合金的γ′的體積分?jǐn)?shù)隨溫度的變化基本一致。

2.2 γ′的初始形狀

單晶合金可以通過(guò)采用不同的熱處理方法得到γ′的初始形狀為立方、條形、球形和蝶形等，Muller等[17]取1個(gè)1/4平面周期胞元，對(duì)不同形貌的γ′進(jìn)行有限元分析，得到球形γ′的等效應(yīng)力最大，蝶形的次之；立方γ′的應(yīng)力較小，且大部分的應(yīng)變都集中在基體中，而條狀γ′的應(yīng)力則分布均勻，如圖4所示。Nathal[11]研究了高溫下γ′的初始尺寸和形狀對(duì)蠕變各階段持續(xù)時(shí)間的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明在γ′初始為立方結(jié)構(gòu)的區(qū)域內(nèi)蠕變的各階段均有較長(zhǎng)的持續(xù)時(shí)間，如圖5所示。除了常規(guī)的熱處理過(guò)程以外，材料在高溫低應(yīng)力下保持一定時(shí)間后，其γ′相會(huì)迅速朝某些方向長(zhǎng)大，形成初始筏化的細(xì)觀結(jié)構(gòu)，在這種結(jié)構(gòu)下蠕變率會(huì)有明顯的減小，因此為了比較γ′的初始立方結(jié)構(gòu)和預(yù)筏化結(jié)構(gòu)的蠕變性能優(yōu)劣，開(kāi)展了一系列探索和研究。

圖4 γ′不同形狀時(shí)胞元內(nèi)應(yīng)力的有限元分析[17]

圖5 γ′的不同初始形狀對(duì)單晶蠕變各階段持續(xù)時(shí)間的影響[11]

Tien和Copley等[18]最早對(duì)γ′筏化現(xiàn)象進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在高溫退火時(shí)，給[001]方向加單軸載荷可以使γ′的形態(tài)發(fā)生變化，并提出可能導(dǎo)致這種變化的2個(gè)驅(qū)動(dòng)力分別為：（1）試件內(nèi)部無(wú)應(yīng)力區(qū)域的改變，主要取決于2相彈性常數(shù)和晶格常數(shù)的差異；（2）試件有效彈性模量的改變，僅取決于2相彈性模量的不同。結(jié)合后來(lái)對(duì)此現(xiàn)象的大量觀測(cè)和分析，最終總結(jié)出γ′筏化主要與外載和材料錯(cuò)配度的大小、方向以及2相彈性常數(shù)間的差異有關(guān)，在蠕變過(guò)程中，γ′會(huì)形成垂直于載荷方向的N型筏和平行于載荷方向的P型筏。

NASA材料研究中心的冶金學(xué)家 Nathal和Mackay等[19]在早期也對(duì)蠕變筏化進(jìn)行了大量的試驗(yàn)和觀測(cè)，開(kāi)始時(shí)觀測(cè)到高溫蠕變過(guò)程中γ/γ′結(jié)構(gòu)演化為片狀，且分布均勻、連續(xù)，認(rèn)為其有助于蠕變抵抗力的提高。而后因?yàn)椴糠衷囼?yàn)表明在預(yù)處理過(guò)程中實(shí)現(xiàn)筏化形狀（預(yù)筏化）可以提高中高溫的蠕變壽命，于是針對(duì)γ′的不同初始形狀（立方狀或預(yù)筏化狀）對(duì)試樣進(jìn)行了蠕變?cè)囼?yàn)，在760℃下高應(yīng)力時(shí)，得到立方γ′試樣比預(yù)筏化試樣的蠕變率低和蠕變壽命高的結(jié)論；而低應(yīng)力時(shí)，立方γ′試樣在初始階段有較好蠕變表現(xiàn)，但很快筏化后便與預(yù)筏化試樣基本類似。在900℃以上時(shí)，得到預(yù)筏化試樣的拉伸強(qiáng)度也低于一般立方γ′的結(jié)論[20]；同樣，Kondo等[3]對(duì)預(yù)先筏化與正常組織的合金進(jìn)行持久性能的對(duì)比表明，預(yù)先筏化的CMSX-4合金的持久壽命遠(yuǎn)低于固溶時(shí)效處理合金的。Tinga等[13]通過(guò)采用胞元蠕變模型對(duì)實(shí)際葉片構(gòu)件的模擬計(jì)算表明，在中溫條件下，采用立方胞元結(jié)構(gòu)的蠕變比采用筏化后的結(jié)構(gòu)蠕變量小約18%。但也有文獻(xiàn)證明，在1050℃下，預(yù)先筏化能明顯提高單晶合金的持久性能，但在850℃/500 MPa下，具有筏狀組織的CMSX-2合金的持久壽命卻只有原來(lái)的1/4，因此認(rèn)為初始筏狀形貌不利于低溫和中溫的蠕變行為[21]。

對(duì)γ′初始形狀影響單晶合金其他塑性力學(xué)行為的研究也有不一致的結(jié)論，Sakaguchi和Okazaki[22]針對(duì)3種不同的γ′形狀（板狀、立方狀和柱狀筏化）得到900℃下的3個(gè)遲滯回線，其中立方狀態(tài)下的遲滯回線和試驗(yàn)結(jié)果符合得較好，圖6中（a）、（b）和（c）示出了3個(gè)不同計(jì)算結(jié)果反映出不同的γ′細(xì)觀模型對(duì)疲勞壽命的影響，試驗(yàn)結(jié)果顯示疲勞破壞通常發(fā)生在水平的γ基體中。圖6（d）中示出的計(jì)算結(jié)果表明，錯(cuò)配度為負(fù)時(shí)，初始板狀筏化使疲勞壽命減小，而柱狀筏化使之增大；錯(cuò)配度為正和零的情況則正好相反。

圖6 不同γ′初始形狀對(duì)材料循環(huán)性能的影響[22]

總之，在高溫低應(yīng)力時(shí)，由于位錯(cuò)以攀移為主，此時(shí)高長(zhǎng)寬比的筏化形狀能有效抑制位錯(cuò)攀移，有助于蠕變強(qiáng)度的提高；而在應(yīng)力相對(duì)較高時(shí)，位錯(cuò)以切割γ′為主導(dǎo)機(jī)制，此時(shí)筏化后的γ/γ′界面面積減小，γ′更容易被切割，因此蠕變強(qiáng)度會(huì)有所降低。航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片一般在高溫和低于屈服應(yīng)力的條件下工作，因此通常認(rèn)為預(yù)筏化無(wú)益于其蠕變壽命的提高。

2.3 γ/γ′初始錯(cuò)配度

鎳基單晶合金γ/γ′2相初始呈共格狀態(tài)，但因二者晶格常數(shù)的差異，共格會(huì)發(fā)生畸變，產(chǎn)生初始錯(cuò)配度δ，一般定義δ=2（αr'-αr）/（αr'+αr）或δ=（αr'-αr）/αr。在一定溫度和應(yīng)力下，由于錯(cuò)配和2相熱膨脹系數(shù)的不同，材料內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生不均勻的錯(cuò)配應(yīng)力，如圖7所示。為了緩解這種應(yīng)力將促使蠕變第1階段界面位錯(cuò)網(wǎng)的生成。隨著單晶合金初始錯(cuò)配度的大小和正負(fù)不同，材料的力學(xué)性能及其細(xì)觀演化也會(huì)有較大差異，其中對(duì)蠕變第1階段的影響最為顯著，且由于這種錯(cuò)配應(yīng)力在蠕變第1階段不能被完全釋放，因此在蠕變后期仍有一定的影響。

圖7 單晶合金2相共格畸變及胞元錯(cuò)配應(yīng)力分布[14]

對(duì)單晶錯(cuò)配度的研究和測(cè)算從開(kāi)始研究其細(xì)觀結(jié)構(gòu)起就受到了廣泛關(guān)注，起初認(rèn)為是γ′產(chǎn)生筏化的原因，試圖通過(guò)熱處理的手段來(lái)消除這種影響。但Pearson等[23]進(jìn)一步研究表明，材料在具有高的負(fù)錯(cuò)配度（δ＝-0.78%）時(shí)，定向粗化可以顯著提高其高溫時(shí)的蠕變性能，于是開(kāi)始研究錯(cuò)配度的符號(hào)和大小與細(xì)觀結(jié)果演化的關(guān)系。通過(guò)大量的試驗(yàn)觀測(cè)和總結(jié)得到，當(dāng)錯(cuò)配度為正時(shí)，施加拉應(yīng)力γ′會(huì)筏化形成平行于拉應(yīng)力的柱狀，施加壓應(yīng)力時(shí)則形成垂直于壓應(yīng)力的板狀；當(dāng)錯(cuò)配度為負(fù)時(shí)，施加拉應(yīng)力γ′形成垂直于應(yīng)力的板狀，施加壓應(yīng)力則形成平行于應(yīng)力的柱狀[24]，其結(jié)構(gòu)如圖8所示。

材料初始錯(cuò)配度不同時(shí)，其熱處理的結(jié)果也不同。Conley等[25]通過(guò)控制合金中Mo/Al的比值，可以改變?chǔ)没w相的晶格常數(shù)，進(jìn)而得到γ′體積分?jǐn)?shù)相同但錯(cuò)配度各異的單晶材料。在750℃下時(shí)效，得到γ′的筏化速率隨錯(cuò)配度的減小而降低，如圖9所示。本文指出，當(dāng)錯(cuò)配度較小時(shí)（絕對(duì)值小于0.4%），在經(jīng)歷上述條件的時(shí)效后，γ′的形狀基本保持表面能最小的狀態(tài)（如球形），而當(dāng)錯(cuò)配度的絕對(duì)值大于0.4%時(shí)，γ′的形狀就會(huì)向板狀或柱狀轉(zhuǎn)變。

圖8 板狀和柱狀筏化結(jié)構(gòu)

圖9 γ′的筏化速率隨錯(cuò)配度的變化[25]

Harada等[26]研究了高溫低應(yīng)力（1100℃/137 MPa）下的蠕變位錯(cuò)行為，當(dāng)錯(cuò)配度不同時(shí)，通過(guò)細(xì)觀位錯(cuò)網(wǎng)形成的不同過(guò)程來(lái)解釋蠕變曲線的差異，以得到錯(cuò)配度對(duì)細(xì)觀結(jié)構(gòu)演化和蠕變的影響。主要包括：（1）在蠕變初級(jí)階段，大的錯(cuò)配度絕對(duì)值導(dǎo)致大的錯(cuò)配應(yīng)力，錯(cuò)配應(yīng)力和外載疊加共同驅(qū)使位錯(cuò)環(huán)在γ中交滑移運(yùn)動(dòng)，若分切剪應(yīng)力不夠大，則位錯(cuò)攀移γ′運(yùn)動(dòng)；（2）大錯(cuò)配度提供了充足的位錯(cuò)源和大的驅(qū)動(dòng)力使γ/γ′界面上的位錯(cuò)實(shí)現(xiàn)重定位；（3）大錯(cuò)配度導(dǎo)致γ/γ′界面上密集的位錯(cuò)網(wǎng)，這是蠕變第2階段應(yīng)變率減小的主要因素。

錯(cuò)配度是由2相的晶格常數(shù)來(lái)決定的，其相差越大則錯(cuò)配度的絕對(duì)值越大，表明其在晶體內(nèi)造成的錯(cuò)配應(yīng)力越大，不僅對(duì)筏化產(chǎn)生重要影響，而且還是位錯(cuò)的驅(qū)動(dòng)力之一。然而對(duì)錯(cuò)配度的測(cè)算一直以來(lái)有較多分歧，有數(shù)值大小的差別，也有符號(hào)的不同。經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)和測(cè)算表明，材料的錯(cuò)配度在不同區(qū)域、不同溫度下都會(huì)發(fā)生變化，有的在室溫和高溫下的錯(cuò)配度符號(hào)相反，這也是為什么有部分文獻(xiàn)觀測(cè)到不同筏化規(guī)律的主要原因。一般來(lái)說(shuō)，隨著溫度的升高，錯(cuò)配度會(huì)向負(fù)的絕對(duì)值增大的方向發(fā)展。Muller等[27]分別用中子衍射法、位錯(cuò)網(wǎng)法和形態(tài)觀測(cè)法測(cè)算了SRR99合金在不同溫度下的錯(cuò)配度，以對(duì)比采用各種方法得到的錯(cuò)配度值的差異，如圖10所示。進(jìn)一步的研究表明，變形過(guò)程中，錯(cuò)配度在不同晶體取向的值及其變化規(guī)律都不盡相同，Royer等[15]研究了不同初始狀態(tài)的試件不同取向的錯(cuò)配度隨溫度的變化，如圖11所示。結(jié)果表明，γ′初始為立方狀時(shí)，室溫下各取向的錯(cuò)配度相等，均接近于零，且隨著溫度的升高其變化趨勢(shì)也相同。但當(dāng)γ′初始為不同程度的筏化狀態(tài)時(shí)，其平行和垂直應(yīng)力方向的錯(cuò)配度值均發(fā)生改變，且隨著溫度的升高表現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)。Biermann等[28]對(duì)SRR99合金做了相關(guān)研究，得到類似的結(jié)論。Royer等[29]則針對(duì)AM1合金在1050℃時(shí)，給出了其在[001]方向施加150 MPa拉伸載荷的條件下，平行于載荷方向的錯(cuò)配度隨蠕變各階段的變化，如圖12所示。從圖中可見(jiàn)，在蠕變第1階段，錯(cuò)配度從-3.5× 10-3降到-4.8×10-3，而在蠕變第2階段又逐漸恢復(fù)到-3.3×10-3，在第3階段的變化加速，逐漸升至-2. 0×10-3，錯(cuò)配度的變化似乎與蠕變應(yīng)變存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖10 不同試驗(yàn)方法得到的不同溫度下的錯(cuò)配度

圖11 單晶合金不同初始狀態(tài)的試樣不同取向的錯(cuò)配度隨溫度的變化[15]

圖12 SRR99合金平行于載荷方向的錯(cuò)配度隨蠕變3個(gè)階段的變化[29]

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外鎳基單晶合金細(xì)觀變形的試驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)論進(jìn)行大量研究，基于給出的單晶合金變形特征，詳細(xì)分析了決定單晶初始細(xì)觀結(jié)構(gòu)的3個(gè)因素為γ′的初始尺寸、形狀和初始錯(cuò)配度，認(rèn)定合金性能的最佳狀態(tài)是γ/γ′2相以一定比例共存時(shí)的狀態(tài)。在高溫和較高應(yīng)力的條件下，γ′的初始尺寸為0.45 μm，體積分?jǐn)?shù)約為70%時(shí)，合金的蠕變性能最佳；γ′的初始形狀為立方塊時(shí)，在溫度較高的情況下合金的綜合性能較好，但在中溫條件下，預(yù)筏化能在一定程度上使材料的持久壽命改善；γ/γ′的初始錯(cuò)配度作為1項(xiàng)重要指標(biāo)，其正負(fù)和絕對(duì)值大小對(duì)合金的變形影響顯著。大量研究表明，錯(cuò)配度為負(fù)且絕對(duì)值較大時(shí)，材料發(fā)生板狀筏化，形成γ基體和γ′強(qiáng)化相交替存在的、相對(duì)穩(wěn)定的細(xì)觀結(jié)構(gòu)，對(duì)其后續(xù)變形有較好的抑制作用。另外，通過(guò)文獻(xiàn)[7]、[30]和[31]的相關(guān)模擬及與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，也可以得到類似結(jié)論。

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Initial Microstructure and Deformation Influence Factors of Ni-Base Single Crystal

CAO Juan
（AVIC Aerospace Engine Research Establishment,Beijing 100028,China）

The main deformation characteristics of dual-phase microstructure for Nibase single crystal were obtained by analyzing a lot of tests phenomenon and results about microstructure of Ni base single crystal in the world.Three deformation influence factors of Ni-base single crystal that the initial dimensions of γ′,the initial shape of γ′and the initial misfit of γ′were studied.The results show that under the condition of higher temperature and stress,the performances of Ni base single crystal are best when the initial dimensions of γ′are 0.45 μm(the volume fraction of γ′are nearly 70%),the initial shape of γ′are cubic without any pre-rafting and the initial misfit of γ′are negative with relatively big absolute value.

Ni-base single crystal；initial microstructure；deformation；influencing factors

曹娟（1981），女，博士，主要從事單晶合金葉片的本構(gòu)模型研究工作。

國(guó)家自然科學(xué)基金（50571004）、 凡 舟 青 年 科 研 基 金（20060404）資助

2012-05-17