鎳基高溫合金中的拓?fù)涿芏严嗟奈龀雠c防治

張?jiān)娨?/p>

摘? 要：隨著各國(guó)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)推重比的要求日益提升，為滿足高推重比的需求發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪進(jìn)口溫度持續(xù)增加，相應(yīng)的，發(fā)動(dòng)機(jī)所用熱端材料的高溫力學(xué)性能也需滿足更高的標(biāo)準(zhǔn)。在650～1 000℃范圍內(nèi)具有良好的高溫力學(xué)性能的鎳基高溫合金，在發(fā)動(dòng)機(jī)材料中約占40%，足見鎳基高溫合金在航空航天領(lǐng)域中的特殊地位?？v觀鎳基高溫合金的發(fā)展史，良好的高溫蠕變性能一直是研究者們追求的目標(biāo)。航空發(fā)動(dòng)機(jī)在服役過(guò)程中的高溫蠕變會(huì)導(dǎo)致高溫零部件產(chǎn)生過(guò)大的塑性變形，特別是當(dāng)進(jìn)一步提升渦輪進(jìn)氣口溫度時(shí)，合金的蠕變性能無(wú)法滿足嚴(yán)苛服役環(huán)境的矛盾將更加突出。例如，在高溫環(huán)境下，溫度只增加15℃，零件的蠕變壽命就會(huì)縮短一半。因此，為不斷提升鎳基高溫合金的高溫性能，向合金中添加難熔元素（如Re、Cr、Mo、Ta和W等），特別是添加Re元素時(shí)，鎳基高溫合金的蠕變性能大幅提升。但是，大量難熔元素加入鎳基高溫合金后，合金在服役過(guò)程中會(huì)大量析出拓?fù)涿芏严?，反而?huì)危害合金的蠕變性能。長(zhǎng)久以來(lái)，抑制拓?fù)涿芏严嗟男纬啥际翘嵘嚮邷睾辖鹑渥冃阅艿闹匾芯糠较颉?/p>

關(guān)鍵詞：鎳基高溫合金? 拓?fù)涿芏严? 蠕變性能? 析出

中圖分類號(hào)：TG132.3 ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2020）07（c）-0100-04

Abstract： With the increasing requirements for aero-engine thrust-to-weight ratios in various countries， the turbine inlet temperature of engines continues to increase in order to meet the demand for high thrust-to-weight ratios. Accordingly， the high-temperature mechanical properties of hot-end materials used in engines also need to meet higher standards. Nickel-based superalloys with good high-temperature mechanical properties in the range of 650-1 000℃ account for about 40% of engine materials， which shows the special status of nickel-based superalloys in the aerospace field. Throughout the development history of nickel-based superalloys， good high-temperature creep properties have been the goal pursued by researchers. The high temperature creep of the aero engine during service will cause excessive plastic deformation of high temperature parts， especially when the temperature of the turbine inlet is further increased， the contradiction of the alloy's creep performance cannot meet the harsh service environment will be more prominent . For example， in a high-temperature environment， if the temperature is increased by only 15°C， the creep life of the part will be shortened by half. Therefore， in order to continuously improve the high-temperature performance of nickel-based superalloys， the addition of refractory elements （such as Re， Cr， Mo， Ta and W， etc.） to the alloy， especially when adding the Re element， the creep performance of the nickel-based superalloy is greatly increased. However， when a large number of refractory elements are added to the nickel-based superalloy， a large number of topologically close-packed phases will precipitate out during the service of the alloy， which will harm the creep performance of the alloy. For a long time， the suppression of the formation of topological close-packed phases has been an important research direction to improve the creep properties of nickel-based superalloys.

Key Words： Nickel-based superalloy;Topological close-packed phase;Creep properties;Precipitation

拓?fù)涿芏严嗍怯纱笮〔煌脑舆m當(dāng)配合，得到全部或主要是四面體間隙的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。拓?fù)涿芏严嗟目臻g利用率和配位數(shù)很高并具有拓?fù)鋵W(xué)的特點(diǎn)，故稱之為拓?fù)涿芏严唷Ｔ缭?0世紀(jì)50年代末，就已研究了拓?fù)涿芏严嗟木w結(jié)構(gòu)，并著重對(duì)組成拓?fù)涿芏严嗟幕窘Y(jié)構(gòu)單元—配位多面體做出許多研究。

拓?fù)涿芏严嗥毡榇嬖谟诜蹱顟B(tài)下的鎳基、鈷基、鐵基以及奧氏體不銹鋼中。高溫合金中析出的?、μ、P、R和Laves相等都屬于拓?fù)涿芏严?。拓?fù)涿芏严嗟奈：π栽缭?0世紀(jì)40年代就已被注意到。當(dāng)時(shí)的人們發(fā)現(xiàn)，硬而脆的拓?fù)涿芏严鄷?huì)嚴(yán)重危害奧氏體不銹鋼的性能。

1? 鎳基高溫合金中的拓?fù)涿芏严?/p>

常見的致密結(jié)構(gòu)如面心立方和密排六方結(jié)由半徑相同的原子堆垛而成的，它們的配位數(shù)可達(dá)12，致密度為0.74。而本文所述的拓?fù)涿芏严?，是采用兩種或兩種以上不同半徑的原子堆垛排列而得到的。因此，拓?fù)涿芏严嗤懈叩呐湮粩?shù)（14-16）和更大的致密度（>0.74）。

在鎳基高溫合金中，常見的拓?fù)涿芏严嘀饕且韵氯N：μ相、?相和P相。這三種拓?fù)涿芏严嗟膯伟蓭资畟€(gè)原子組成，晶體結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，具體的晶格結(jié)構(gòu)信息如表1所示。

1.1 μ相

起初，μ相被發(fā)現(xiàn)于Fe-Mo合金體系中，μ相的典型分子式可記作A7B6，其中A表示的是像Co、Fe等半徑較小的過(guò)渡族元素，而B則是類似Mo、W等屬于V族、VI族的原子半徑較大元素。

μ相的晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，屬于菱形三方型，空間群為Rm，每個(gè)單胞中含有13個(gè)原子。圖2（a）為μ相沿著[110]帶軸的原子結(jié)構(gòu)模型[1]，如圖1所示μ相是層狀結(jié)構(gòu)，按照主層原子層（Z=0，Z=1/2）和次層原子層（Z=1/4，Z=3/4）的順序依次交疊進(jìn)行堆垛排列的。

在鎳基高溫合金中，μ相的主要形成元素往往含有Ni、Co、W和Mo等重金屬，常見的μ相分子式

可記作Co7W6、Co7Mo6、Fe7W6等。

1.2 ?相

有關(guān)?相結(jié)構(gòu)的研究最初是在Fe-Cr系合金中，后續(xù)更多研究表明，除Fe-Cr系合金外，過(guò)渡族金屬組成的合金體系中也會(huì)存在?相。?相的晶體結(jié)構(gòu)為體心四方型，每個(gè)單胞中含有30個(gè)原子，空間群為P42/mnm。典型?相的原子結(jié)構(gòu)如圖2所示[1]。圖3（a）為沿著[001]帶軸的?相的原子結(jié)構(gòu)，可以看到，?相是按照主層原子層（Z=0，Z=1/2）和次層原子層（Z=1/4，Z=3/4）依次交替的順序而堆垛排列得。

在本文重點(diǎn)講述的鎳基高溫合金中，σ相的成分通常表示為（Cr，Mo）x（Ni，Co）y，其中x和y變化范圍為1～7。

1.3 P相

Ni-Cr-Mo體系的合金中最先發(fā)現(xiàn)了P相的存在，P相的結(jié)構(gòu)具有簡(jiǎn)單正交的晶體結(jié)構(gòu)，成分接近Ni40Cr18Mo42，且每個(gè)單胞含有56個(gè)原子，空間群為P6nm。同時(shí)，相比與只含有六角反棱錐的?相以及僅含有五角反棱錐的μ相，P相的主層原子排列將更加復(fù)雜。

如圖3（a）為P相沿著[001]帶軸的晶體結(jié)構(gòu)[1]，可見P相是按照主層原子層（Z=1/4，Z=3/4）和次層原子層（Z=0，Z=1/2）互相交替的順序堆垛垛排列的。

2? 難溶元素對(duì)拓?fù)涿芏严辔龀龅挠绊?/p>

與一代鎳基高溫合金相比，二代鎳基高溫合金中加入了3wt.%的Re元素，大量文獻(xiàn)數(shù)據(jù)表明Re元素的加入使第二代合金的性能顯著提高。通常，Re元素提高鎳基合金高溫性能的原因可概括如下：鎳基高溫合金中加入Re后可起到固溶強(qiáng)化的作用、Re元素可強(qiáng)化γ相、以及Re元素可強(qiáng)化γ/γ兩相界面。

王博等人[2]在研究第三代鎳基高溫合金時(shí)發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是低W或是高W合金，Re含量的增加都會(huì)使得拓?fù)涿芏严嗟拿娣e分?jǐn)?shù)急劇增加，結(jié)果如圖4所示。他的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于同種合金，Re元素的含量每增加1%，拓?fù)涿芏严嗟拿娣e分?jǐn)?shù)增加約4%。

實(shí)際上，除了Re元素外，拓?fù)涿芏严嗟闹饕M成元素中還富集了如Mo、W、B等難溶元素。高強(qiáng)[3]等人在對(duì)含有20%難熔元素的DD5合金進(jìn)行1000℃/1000h長(zhǎng)期時(shí)效后，如圖5所示的DD5合金中析出了大量針狀的拓?fù)涿芏严唷?/p>

Mo元素是拓?fù)涿芏严嘈纬傻闹饕刂?。通常，過(guò)量添加Mo元素會(huì)促使鎳基高溫合金在長(zhǎng)時(shí)間的熱暴露和蠕變過(guò)程中析出拓?fù)涿芏严唷?duì)合金USTB-F7的組織穩(wěn)定性的研究中發(fā)現(xiàn)，原始無(wú)Mo合金在經(jīng)過(guò)1 100℃/200h的熱暴露后，并沒(méi)有析出拓?fù)涿芏严?，且熱暴露后的γ相和γ相結(jié)構(gòu)依舊完整。但是，當(dāng)加入1.5wt.%的Mo，經(jīng)過(guò)相同的熱暴露后，合金中析出了大量的拓?fù)涿芏严?，同時(shí)γ相筏排化嚴(yán)重。

Mo元素促進(jìn)?相析出的能力是同等條件下Cr元素的1.5～2倍。程印[4]等人在對(duì)一種第四代鎳基高溫合金的研究中發(fā)現(xiàn)添加少量Mo元素會(huì)減小界面位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)間距，提高界面位錯(cuò)網(wǎng)的穩(wěn)定性。

鎳基高溫合金中少量添加W元素可降低基體層錯(cuò)能，明顯改善高溫合金的蠕變性能，但是過(guò)多的W元素也會(huì)促進(jìn)μ相的形成。王博等人[2]發(fā)現(xiàn)，高W合金在長(zhǎng)時(shí)間熱暴露后會(huì)析出亮白色棒狀、塊狀和長(zhǎng)針狀的拓?fù)涿芏严?。定量化后的結(jié)果如圖7所示，在4Re和5Re合金中，隨著W含量由6%增至8%，拓?fù)涿芏严嗟拿娣e分?jǐn)?shù)均會(huì)增加。

3? 拓?fù)涿芏严嗟姆乐?/p>

在先進(jìn)的第二代和第三代高溫合金中，幾乎都加入了Re元素對(duì)合金進(jìn)行固溶強(qiáng)化，3%的Re和6%的Re可分別作為第二代與第三代鎳基高溫合金的主要特征。然而，如前文所述，過(guò)量添加Re元素會(huì)促使拓?fù)涿芏严嗟奈龀?，從而大幅降低高溫合金的蠕變性能以及縮短合金葉片的使用壽命。Ru是第四代鎳基高溫合金的特征元素。近年來(lái)，以Ru元素為特征的第四代鎳基高溫合金因可抑制拓?fù)涿芏严嗟奈龀觯岣吆辖鸬娜渥冃阅芤殉蔀閲?guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。

研究表明，在合金中添加Ru元素再進(jìn)行1100℃熱暴露后析出的拓?fù)涿芏严嗝黠@減少。但是，Ru元素的添加并沒(méi)有改變合金中析出拓?fù)涿芏严嗟念愋?，?jīng)過(guò)相同熱暴露條件后0wt.%Ru和3wt.%Ru合金析出的拓?fù)涿芏严喾N類均為μ相。Ru對(duì)拓?fù)涿芏严嗟囊种谱饔每煽偨Y(jié)為以下幾個(gè)方面：

A.推遲拓?fù)涿芏严嘈魏?/p>

B.降低拓?fù)涿芏严嘈魏嗣芏?/p>

C.降低拓?fù)涿芏严囿w積分?jǐn)?shù)

D.對(duì)拓?fù)涿芏严喑煞譄o(wú)明顯影響

E.改變合金元素分配行為

F.降低γ相體積分?jǐn)?shù)

G.影響基體和拓?fù)涿芏严嗟腻e(cuò)配度和表面能

H.提高難熔元素在γ相中的溶解度

4? 結(jié)語(yǔ)

因鎳基高溫合金在航空航天領(lǐng)域具有重要意義，所以防治拓?fù)涿芏严喔@得尤為重要。近年來(lái)，Ru元素作為一種可有效抑制拓?fù)涿芏严嘈纬傻闹匾囟鴤涫荜P(guān)注。本文重點(diǎn)介紹了鎳基高溫合金中的幾種常見拓?fù)涿芏严?，并分析了難熔元素對(duì)拓?fù)涿芏严辔龀龅挠绊懀詈罂偨Y(jié)了Ru元素作為一種拓?fù)涿芏严嗟挠行б种圃氐难芯窟M(jìn)展，以期為鎳基高溫合金的成分設(shè)計(jì)提供參考。

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