Re 含量對(duì)單晶高溫合金組織和拉伸性能的影響

史振學(xué)，岳曉岱，王志成，趙金乾，劉世忠

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

鎳基單晶高溫合金性能優(yōu)良，是航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的制備材料[1-3]。為了提高單晶渦輪葉片的承溫能力，從第二代單晶高溫合金起開(kāi)始加入一定含量的Re 元素[4-5]。Re 的加入顯著促進(jìn)了單晶高溫合金的發(fā)展和應(yīng)用，Re 已經(jīng)成為高性能單晶高溫合金中最重要的合金元素，其作用機(jī)理受到了廣泛關(guān)注。添加Re 可顯著降低γ′相的粗化動(dòng)力，增加γ /γ′的負(fù)錯(cuò)配度[6]。Re 以原子團(tuán)的方式存在于γ 相中，與經(jīng)典固溶方式相比，強(qiáng)化作用更大[7]。因而Re 可提高單晶高溫合金的蠕變性能[8-9]、持久性能[10-12]。Re 能夠增加合金的氧化膜穩(wěn)定性，使等溫氧化速率降低，合金抗氧化性能提高[13]。Re 在位錯(cuò)和晶界處富集，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和晶界遷移，能夠抑制再結(jié)晶[14-16]。然而，隨著合金Re 含量增加，增加合金成本和密度，容易導(dǎo)致TCP 相的析出[17]，促進(jìn)SRZ(Secondary Reaction Zone 二次反應(yīng)區(qū))的形成[18]，增加凝固過(guò)程中雜晶的形成傾向[19]。當(dāng)前Re 資源稀少，各國(guó)都視其為戰(zhàn)略元素。在不同的單晶高溫合金體系中，Re 含量不同，且Re 含量對(duì)單晶合金拉伸性能的影響未見(jiàn)報(bào)道。為設(shè)計(jì)合金，綜合利用Re 的強(qiáng)化效果，發(fā)展高性能的新一代單晶高溫合金，本文研究了Re 含量對(duì)合金組織及其穩(wěn)定性和拉伸性能的影響。

1 試樣制備和實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)采用2 種合金材料的化學(xué)成分見(jiàn)表1，2 種合金的元素含量差別為Re 含量不同，分別為3% Re和5% Re。在單晶爐中定向凝固成[001]取向的單晶試棒。試棒的晶體取向用X 射線測(cè)試分析，選擇晶體取向小于12°的單晶試棒進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。所有試棒按以下工藝進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)熱處理：1300℃/1 h+1310℃/2 h+1320℃/3 h+1330℃/4 h+1335℃/6 h，AC+1140℃/4 h，AC+870℃/24 h，AC。合金完全熱處理后在980℃進(jìn)行400、800、2000h長(zhǎng)期時(shí)效熱處理，分別在時(shí)效400、800、2000h取樣觀察合金組織。合金完全熱處理后加工成拉伸性能試樣，在1100℃測(cè)試合金的拉伸性能。合金的不同狀態(tài)的顯微組織采用光學(xué)顯微鏡與掃描電鏡進(jìn)行分析。枝晶間距通過(guò)單位面積法獲得，共晶含量通過(guò)比面積法獲得，采用JMatPro 計(jì)算軟件進(jìn)行相圖分析。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 鑄態(tài)枝晶組織

圖1 所示為不同Re 含量合金的枝晶組織形貌。由圖1 可以看出，不同Re 含量合金在相同凝固條件下獲得的凝固組織均為枝晶組織，由枝晶干、枝晶間及枝晶間的γ/γ′共晶組成。經(jīng)單位面積法定量計(jì)算3% Re 和5%Re 合金的一次枝晶間距分別為297 μm（圖1（a））和288 μm（圖1（b）），共晶體積分?jǐn)?shù)分別為10.5%和12.4%?？梢缘贸鼋Y(jié)論，在相同鑄造工藝條件下，合金的一次枝晶間距隨合金中Re 含量升高而稍有減小，共晶的體積分?jǐn)?shù)升高。

單晶高溫合金在定向枝晶凝固過(guò)程中，溶質(zhì)在固相與液相之間進(jìn)行重新分配，使合金的枝晶干和枝晶間區(qū)域具有明顯不同元素含量。Re、W、Mo 等基體相γ 的形成元素多分布于合金的枝晶干區(qū)域，而Al、Ta、Hf 等析出相γ′的形成合金元素多分布于枝晶間區(qū)域。當(dāng)合金枝晶間區(qū)域的液相化學(xué)成分具備共晶相形成條件時(shí)，形成共晶相。Re 為高熔點(diǎn)合金元素，強(qiáng)烈偏析于合金枝晶干。隨著Re 含量增加，使合金凝固時(shí)枝晶干凝固了更多的Re、W、Mo 等元素，較少的Al、Ta 等元素，從而導(dǎo)致合金枝晶間留下了更多體積分?jǐn)?shù)的共晶相。同時(shí)，Re 元素具有較低的擴(kuò)散系數(shù)[20]，并能降低其他元素的擴(kuò)散速率[9]，增加了凝固過(guò)程中固相溶質(zhì)擴(kuò)散的不足程度，增大了成分過(guò)冷，擴(kuò)大了糊狀區(qū)溫度區(qū)間，增加了合金枝晶間液相體積分?jǐn)?shù)，導(dǎo)致最后凝固后枝晶間共晶相的體積分?jǐn)?shù)增加。

2.2 熱處理組織

3%Re 和5%Re 合金的完全熱處理組織見(jiàn)圖2。由圖2 可以看出，2 種合金都獲得立方化較好的γ′相組織，隨著Re 含量的增加，γ′相尺寸減小，立方化程度增加。

Re 為γ 相形成元素，由于Re 含量增加，Re 在基體中的含量增加。同上所述，Re 元素自身具有較低的擴(kuò)散系數(shù)[20]，并能降低其他元素的擴(kuò)散速率[9]，熱處理過(guò)程中Re 能夠有效抑制γ′相的長(zhǎng)大，因而獲得的γ′相尺寸較小。

合金的兩相界面能和晶格錯(cuò)配應(yīng)變能等因素決定了析出相γ′的形貌[17]。界面結(jié)構(gòu)以及兩相界面面積決定了界面能的大小。兩相晶格錯(cuò)配應(yīng)變能與沉淀相的體積分?jǐn)?shù)和晶格錯(cuò)配度有關(guān)。兩相晶格錯(cuò)配度具有較小的絕對(duì)值時(shí)，界面能占較大部分，由晶格錯(cuò)配導(dǎo)致的彈性應(yīng)變能占較小部分。相同體積下，球的表面積最小，γ′相呈球形分布。兩相晶格錯(cuò)配度具有較大的絕對(duì)值時(shí)，界面能占較小部分，晶格錯(cuò)配應(yīng)變能占較大部分。由于單晶合金為各向異性材料，彈性模量沿[001]取向時(shí)具有最低值，所以γ′相形核后沿不同的[001]方向長(zhǎng)大，形成立方化形貌。合金的晶格錯(cuò)配度的絕對(duì)值越大，晶格錯(cuò)配應(yīng)變能也越大，合金的γ′相立方化越好。Re 原子尺寸較大，Re 含量增多使合金的錯(cuò)配度更負(fù)，因而γ′相的立方化程度增加。

2.3 長(zhǎng)期時(shí)效組織

圖3 所示為不同Re 含量合金980℃長(zhǎng)期時(shí)效組織。由圖3 可以看出，時(shí)效400、800h后，2 種合金的γ′相尺寸增加，仍保持立方狀形貌，γ 基體通道寬度增加，無(wú)TCP 相析出。時(shí)效2000h后，大部分γ′相仍保持立方狀形貌，少部分γ′相發(fā)生筏排化；2 種合金都析出少量針狀TCP 相，隨著Re 含量增加，TCP 相析出量顯著增加。用掃描電鏡中的能譜分析了TCP 相的化學(xué)成分，分析結(jié)果見(jiàn)表2。由表2 可以看出，TCP 相中富含Re、W 等元素。

在長(zhǎng)時(shí)間高溫狀態(tài)下，單晶高溫合金的γ′相發(fā)生長(zhǎng)大粗化，甚至筏排化特征，這一過(guò)程同樣受界面能和彈性應(yīng)變能等因素的影響[17]，一般認(rèn)為錯(cuò)配度越大，γ′相越容易出現(xiàn)筏排化[21]，但由于2 種合金都含有Re，其較低的擴(kuò)散系數(shù)和阻礙其他原子擴(kuò)散的特性，整體上使含Re 合金與文獻(xiàn)[22]不含Re 合金相比具有較小的筏排化傾向。

高溫合金析出TCP 相主要原因?yàn)棣?相中Re、W、Mo 等元素過(guò)飽和引起的[23]。Re 元素強(qiáng)烈偏析于γ相中，使5% Re 合金γ 相中TCP 相形成元素過(guò)飽和較大。另一方面，Re 的低擴(kuò)散特征使γ′相形成元素由γ 向γ′相擴(kuò)散速率下降，同樣也使γ 相形成元素等由γ 相向γ′相的擴(kuò)散速率降低。因此造成了含5%Re 合金中γ 相中高熔點(diǎn)增多，使γ 相的過(guò)飽和度較大。這兩個(gè)原因?qū)е赂逺e 合金的組織穩(wěn)定性變差。采用JMatPro 軟件計(jì)算了980℃下合金中各個(gè)相含量與Re 含量的關(guān)系，如圖4 所示。計(jì)算結(jié)果表明，隨著Re含量升高，γ′相含量增加，γ 相含量降低，TCP 相含量增加。這與試驗(yàn)結(jié)果一致。

表2 不同Re 含量合金長(zhǎng)期時(shí)效后析出TCP 相的化學(xué)成分Table 2 Chemical composition of TCP phase in the alloy with different Re content單位：質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%

2.4 拉伸性能

不同Re 含量合金1100℃的拉伸性能見(jiàn)表3，每個(gè)數(shù)據(jù)取值于3 個(gè)試樣的平均值。由表3 可以看出，隨著Re 含量增加，合金的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度顯著增加，而延伸率和斷面收縮率明顯減小。2 種合金1100℃的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5 所示。由圖5 看出，2 種合金曲線變化特征基本相同，合金屈服后，隨著拉伸變形進(jìn)行，流變應(yīng)力逐漸增高，當(dāng)達(dá)到抗拉強(qiáng)度點(diǎn)后，應(yīng)力緩慢下降直至斷裂。圖6 為兩種合金的拉伸斷口形貌。由圖6 看出，2 種合金的拉伸斷口形貌基本相同，斷口有明顯的縮頸特征，斷口上分布大量的方形韌窩，斷裂機(jī)制都為韌窩斷裂。

表3 3%Re 合金和5%Re 合金1100℃的拉伸性能Table 3 The tensile properties of 3%Re alloy and 5%Re alloy at 1100℃

單晶高溫合金由基體γ 相和γ′沉淀析出相組成，合金的顯微組織影響其拉伸性能。Re 提高合金的拉伸性能主要原因如下。

首先，Re 對(duì)基體相的強(qiáng)化作用。Re 元素具有較大的原子半徑[10]，具有較強(qiáng)的固溶強(qiáng)化作用，因而能夠顯著提高基體γ 相的強(qiáng)度。Re 阻礙其他固溶元素從基體相向強(qiáng)化相擴(kuò)散，從而加大對(duì)基體強(qiáng)化作用。Re 在γ 基體中以原子團(tuán)簇形式存在，可有效阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，比傳統(tǒng)固溶方式具有更強(qiáng)的強(qiáng)化效果[7]。Re主要分布于γ 基體相中，使γ 相的堆垛層錯(cuò)能減小，導(dǎo)致γ 相容易發(fā)生擴(kuò)展位錯(cuò)反應(yīng)，使后來(lái)的位錯(cuò)更加不容易運(yùn)動(dòng)，因而能夠使γ 相得到強(qiáng)化[24]。

其次，Re 不僅強(qiáng)化基體，還強(qiáng)化γ′相。相圖計(jì)算表明，Re 含量增加提高了強(qiáng)化相的含量。試驗(yàn)表明，Re 增加了強(qiáng)化相立方化程度。Re 增加了γ′相的反相疇界能，使位錯(cuò)切割γ′相所需的能量增加，不易切割[25]。Re的低擴(kuò)散系數(shù)和阻礙其他原子擴(kuò)散的特性，能夠阻礙γ′相長(zhǎng)大合并。

最后，Re 能夠強(qiáng)化γ/γ′兩相界面。高體積分?jǐn)?shù)γ′相的單晶合金的變形行為主要由兩相界面的特征決定。Re 增加了合金的錯(cuò)配度，能夠在高溫變形過(guò)程中在兩相界面的位錯(cuò)網(wǎng)更加密集，使位錯(cuò)更加不容易切入γ′相，因此位錯(cuò)網(wǎng)的密度越大，合金就越難變形，其拉伸強(qiáng)度越大[24]。

綜合以上原因，增加Re 含量，合金的拉伸性能顯著提高。

通過(guò)上述研究可知，隨著單晶高溫合金的發(fā)展，Re 含量增加成為必然趨勢(shì)，但其組織穩(wěn)定性也會(huì)降低，需要進(jìn)一步的解決措施，比如加入Ru 元素。

3 結(jié) 論

1）隨著合金中Re 含量增加，一次枝晶間距輕微降低，共晶體積分?jǐn)?shù)升高，γ′相的尺寸下降，立方化程度增加。

2）不同Re 含量合金時(shí)效800h后無(wú)TCP 相析出，時(shí)效2000h后有TCP 相析出，隨著Re 含量增加，TCP 相析出量增加。合金組織穩(wěn)定性隨著Re 含量增加而降低。

3）隨著Re 含量增加，合金的高溫拉伸性能顯著提高。