Mo含量對第四代單晶高溫合金組織及穩(wěn)定性的影響

史振學(xué)， 劉世忠， 趙金乾

（北京航空材料研究院先進高溫結(jié)構(gòu)材料重點實驗室,北京100095）

由于鎳基單晶高溫合金性能優(yōu)異而被用于制備航空發(fā)動機渦輪葉片[1].為了提高航空發(fā)動機渦輪葉片的工作溫度，單晶高溫合金中添加大量Re、W、Ta、Mo、Nb等難熔合金元素，顯著提高了其承溫能力[2-4].但是難熔合金元素含量增加降低了單晶合金的組織穩(wěn)定性，導(dǎo)致合金的力學(xué)性能降低[5-7].Mo為提高單晶合金高溫強度的有益元素之一，普遍應(yīng)用于各種單晶高溫合金.20世紀(jì)80年代研制的第一代單晶DD3合金含有4%的Mo[8]，第二代單晶高溫合金DD6含有2%的Mo[9]，美國的第四代單晶高溫合金EPM-102含有2%的Mo[10].Mo除了固溶強化，還促進在γ/γ′相界面形成高密度的位錯網(wǎng)進而降低合金的蠕變速率[11-12].但是，高含量的Mo導(dǎo)致合金中TCP相的析出，降低合金的組織穩(wěn)定性[13-15].為獲得高強度且組織穩(wěn)定的第四代單晶高溫合金，優(yōu)化Mo元素含量，文中制備了Mo含量分別為1%和3%的2種單晶高溫合金，研究了Mo含量對單晶高溫合金凝固特征、顯微組織及其穩(wěn)定性的影響，為第四代單晶合金的成分優(yōu)化提供依據(jù).

1 試樣制備和試驗方法

試驗材料為第四代單晶高溫合金，化學(xué)成分見表1.2種單晶高溫合金的Mo含量分別為1.0%Mo和3.0%Mo.采用選晶法在真空定向凝固爐制備單晶試棒，用X射線衍射儀測試單晶試棒的[001]取向偏離度，選取偏離度10°以內(nèi)的單晶試棒進行后續(xù)試驗.2種合金按以下工藝進行標(biāo)準(zhǔn)熱處理：1 300℃/1 h+1 310℃/2 h+1 320℃/3 h+1 330℃/4 h+1 340℃/6 h/空冷+1 140℃/4 h/空冷 +870℃/32 h/空冷.標(biāo)準(zhǔn)熱處理后在1 100℃長期時效1 000 h.采用JMatPro軟件計算合金的凝固特征，通過掃描電鏡分析不同條件下合金的顯微組織，通過計算顯微組織中共晶組織面積與整個圖片總面積的比值得到合金共晶組織含量，采用能譜儀分析合金中γ相、γ′相和TCP相的化學(xué)成分.

表1 不同Mo含量合金成分 /（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 1 Nominal chemical compositions of the alloy with different Mo/（massfraction,%）

2 結(jié)果與分析

2.1 Mo含量對合金相變特征的影響

采用JMatPro5.0軟件計算了2種Mo含量合金的相平衡情況.不同Mo含量合金平衡相與溫度關(guān)系見圖1.由圖1看出，2種合金有相同的平衡相，即基體相γ、強化相γ′、MC、不穩(wěn)定相μ.計算出不同Mo含量合金的相變特征溫度見表2.可以看出，隨著Mo含量增加，γ、γ′、MC的析出溫度降低，而μ相的析出溫度顯著提高.

圖1 不同Mo含量合金相變溫度曲線Fig.1 Precipitation phases temperature curves of the alloys with different Mo contents

熱處理窗口和凝固糊狀區(qū)區(qū)間為單晶高溫合金工藝性能的重要參數(shù).熱處理窗口為初熔溫度至γ′相全部溶解溫度的區(qū)間，熱處理窗口越寬，代表著合金的熱處理工藝性能越好.2種Mo含量合金的熱處理窗口分別為45.6℃和45.4℃，由此可見，雖然Mo含量不同，合金的熱處理工藝性能基本保持不變.合金的糊狀區(qū)區(qū)間為液相開始凝固到結(jié)束凝固的溫度區(qū)間.糊狀區(qū)影響單晶合金的晶體生長，其區(qū)間越小，越容易生長單晶[16].隨著合金元素含量增加，糊狀區(qū)寬度呈現(xiàn)擴大趨勢.由表2可知，1%Mo和3%Mo合金的糊狀區(qū)區(qū)間分別為58.5℃和66.5℃，這說明隨著Mo含量增加，合金糊狀區(qū)區(qū)間變大.

表2 不同Mo含量合金中各相析出溫度Table 2 Phase transformation temperature of the alloys with different Mo contents

計算了合金1 100℃各平衡相與Mo含量的關(guān)系，如圖2所示.由圖2看出，隨著Mo含量升高，由于單晶合金含C量非常少而使MC相含量幾乎無變化，γ′相含量降低，γ相含量增加，μ相含量增加.這表明合金的組織穩(wěn)定性隨著Mo含量增加而變差.

圖2 合金在1 100℃各相隨著Mo含量的變化關(guān)系Fig.2 Relationship between the every phase volume and Mo content at 1 100℃

2.2 Mo含量對合金鑄態(tài)組織的影響

圖3 所示為不同Mo含量合金的共晶組織.經(jīng)面積法計算1%Mo和3%Mo合金中的共晶含量分別為11.4%和10.1%.可以看出，隨著Mo含量的升高，共晶尺寸變小，含量降低.在合金凝固過程中，由于溶質(zhì)再分配而導(dǎo)致合金元素在枝晶干和枝晶間不均勻分布.元素Re、W、Mo偏析于枝晶干，元素Al、Ta、Nb在枝晶間偏析，當(dāng)液相成分達到γ/γ′共晶相成分時，析出共晶組織.Mo作為γ相形成元素，隨著Mo含量增加，液相先析出形成的γ相增多，后形成的共晶量必然減少.因此隨著Mo含量增加，合金共晶尺寸變小，含量減少.

圖3 不同Mo含量合金的共晶組織Fig.3 Eutectic morphologies of the alloys with different Mo contents

圖4 所示為不同Mo含量合金的鑄態(tài)組織，由圖4看出，隨著Mo含量增加，合金的γ′相尺寸減小，其均勻化和立方化程度稍有增加.在單晶高溫合金的鑄態(tài)組織中，大部分γ′相為γ相達到過飽和脫溶生成.從軟件計算得出，隨著Mo含量增加，γ′相的體積分?jǐn)?shù)降低，這表明Mo降低γ′相的形成.凝固過程中γ′形核數(shù)量降低而長大時間較長，因此γ′相尺寸較大.同時隨著Mo含量增加，合金的晶格錯配度增加，使其均勻化和立方化程度稍有增加.

2.3 Mo含量對合金熱處理組織的影響

圖5所示為不同Mo含量合金的熱處理組織.合金在固溶處理保溫過程中，全部溶解了粗大γ′相和共晶組織，變?yōu)閱蜗唳媒M織.冷卻時γ相中析出細小大量的γ′相，再經(jīng)過兩級時效處理，形成尺寸適中立方化較好的γ′相組織.由圖5可以看出，隨著Mo含量增加，γ′相立方化程度增加.

γ′相形貌受合金兩相錯配度的影響[17].錯配度接近零時，γ′相為球形；隨著錯配度絕對值增加，γ′相向立方形狀轉(zhuǎn)變.合金的錯配度與化學(xué)成分有關(guān)，合金γ相和γ′相點陣常數(shù)與化成成分的關(guān)系及錯配度的計算公式如下[18]，

采用能譜分析了2種合金γ相和γ′相的化學(xué)成分，采用上述公式計算了2種Mo含量合金的錯配度分別為-0.22% 和 -0.31%.可以看出，隨著Mo含量增加，合金的錯配度絕對值增加，因而合金的立方化程度增加.

圖4 不同Mo含量合金的鑄態(tài)組織Fig.4 As-cast microstructure of the alloys with different Mo contents

圖5 不同Mo含量合金的熱處理組織Fig.5 Heat treatment microstructure of the alloys with different Mo contents

2.4 Mo含量對合金長期時效組織的影響

圖6 不同Mo含量合金1 100℃長期時效1 000 h組織Fig.6 Long term aging microstructure of the alloys with different Mo contents at 1 100℃for 1 000 h

圖6 所示為合金在1 100℃時效1 000 h后組織.由圖6看出，時效1 000 h后，γ相基體通道變寬，γ′相連接、合并形成不規(guī)則形狀的筏形組織，如長條形，L形γ′相，還發(fā)現(xiàn)合金時效組織中有TCP相析出，隨著Mo含量，析出的TCP相顯著增多，與前面JMatPro計算結(jié)果相同，這表明隨著Mo含量增加，合金的組織穩(wěn)定性變差.對合金長期時效TCP相進行了能譜分析，分析結(jié)果見表3.結(jié)果表明，TCP相中含Re、W、Mo和 Co等元素，Mo是 TCP相形成元素之一.合金中TCP相的析出主要是因為γ相中Re、W、Mo等元素過飽和引起的[19].合金元素的分配比ki=Ciγ/Ciγ′，表示合金元素在 γ 相和 γ′相的含量比值.Mo對合金中化學(xué)元素在γ相和γ′相中分配比影響見圖7.由圖7看出，隨著Mo含量增加，合金Re、Cr、Mo等元素的分配比增加，這表明Mo增加了γ相中Re、Cr、Mo的過飽和程度.綜合上述原因，隨著Mo含量增加，合金的組織穩(wěn)定性變差.

表3 1%Mo和3%Mo合金長期時效后析出TCP相的化學(xué)成分 /（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 3 Chemical composition of TCP phase in the 1%Mo alloy and 3%Mo alloy/（massfraction,%）

圖7 1%Mo和3%Mo合金的元素分配比Fig.7 Partition ratio of alloying element in the 1%Mo alloy and 3%Mo alloy

3 結(jié) 論

隨著Mo含量增加，合金的固液相線溫度均有所降低，糊狀區(qū)區(qū)間變大，γ相和TCP相含量增加，合金的共晶含量減少.鑄態(tài)γ′相尺寸減小，其均勻化和立方化程度稍有增加；合金熱處理組織的γ′相立方化程度增加；合金長期時效組織中TCP相析出量增加，合金的組織穩(wěn)定性變差.