新型鎳基單晶高溫合金初熔組織的形成

郭振濤

摘 要：本文對(duì)兩種新型無錸單晶高溫合金B(yǎng)11、B21的初熔組織形成過程進(jìn)行了研究。首先利用熱力學(xué)計(jì)算的方法得出了兩種單晶高溫合金的熱處理窗口，確定了兩種合金的固相線溫度分別為1312℃和1313℃。結(jié)果表明：1320℃初熔實(shí)驗(yàn)微觀組織表征中可以看到，B11合金中出現(xiàn)了大量的初熔組織，而這個(gè)溫度與B21的初熔溫度接近;初熔組織首先在合金的共晶相附近出現(xiàn)，隨著溫度的升高，初熔組織逐漸連接形成較大的孔洞。

關(guān)鍵詞：新型無錸鎳基單晶高溫合金;初熔組織;共晶相

鎳基單晶高溫合金由于在高溫下依然能夠保持較為穩(wěn)定的拉伸、蠕變和抗腐蝕性能，而被廣泛的用于制作航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的高壓渦輪葉片和熱端部件[1-2]。與其他類型的高溫合金相比，單晶高溫合金由于消除了晶界缺陷，所以，在高溫下其性能更加穩(wěn)定，甚至其中一些單晶高溫合金的使用溫度在0.9T熔以上[3]。這種優(yōu)異的性能促進(jìn)了單晶高溫合金的快速發(fā)展。

單晶高溫合金的鑄態(tài)組織中也存在著大量的缺陷，如碳化物、共晶相、枝晶組織等，嚴(yán)重削弱了合金的力學(xué)性能。這些缺陷的出現(xiàn)本質(zhì)上都是元素的偏析行為。因此，通常需要對(duì)鑄態(tài)單晶高溫合金進(jìn)行固溶處理。在合金固溶處理的過程中，通常選用盡可能高的固溶溫度，一方面可以加快合金元素的擴(kuò)散，使合金元素均勻化[4];另一方面可以節(jié)約合金的熱處理時(shí)間，從而節(jié)約合金的制造成本。但固溶溫度過高，在固溶組織中會(huì)出現(xiàn)初熔組織，影響合金的性能，因此測(cè)定合金的初熔溫度以及研究合金初熔組織的形成過程對(duì)設(shè)計(jì)合金的熱處理制度非常重要。

本文所研究的兩種單晶高溫合金是基于第二代鎳基單晶高溫合金所設(shè)計(jì)的兩種新型無錸單晶高溫合金?；赥C熱力學(xué)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方法對(duì)合金初熔組織形成過程進(jìn)行了研究，為該類合金在以后的熱處理制度的制定上提供了理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)方法

通過真空感應(yīng)熔煉（VIM）的方法制備母合金錠，然后在高溫度梯度的定向凝固爐中，將母合金錠澆注成直徑15mm、長(zhǎng)170mm的單晶高溫合金試棒，模具的抽拉速度為3.0mm/min。利用晶體衍射儀選取試棒的軸向與<001>方向偏離角在10°以內(nèi)的試棒作為研究對(duì)象。實(shí)驗(yàn)所用的兩種合金，其化學(xué)成分如表1所示，合金元素含量的差別主要在于Mo、W元素含量的不同。

采用Thermo-Calc軟件結(jié)合TTNi8的熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)合金的固相線溫度、液相線溫度、γ'相分?jǐn)?shù)等進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表2所示。合金的初熔實(shí)驗(yàn)是在CM高溫?zé)崽幚頎t中進(jìn)行，爐溫事先經(jīng)過實(shí)驗(yàn)校準(zhǔn)誤差在±5℃。首先利用電火花線切割機(jī)將單晶試棒切割成直徑15mm×6mm的圓柱試樣，將試樣放在小坩堝中，并將坩堝放置在熱電偶附近，保證測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。然后將試樣加熱到預(yù)定溫度保溫30min，以保證試樣整體達(dá)到該溫度，等到加熱結(jié)束對(duì)試樣進(jìn)行空冷處理?？绽浜蟮脑嚇樱?jīng)過充分磨制去除表面氧化層的影響后，進(jìn)行拋光和腐蝕，最后利用光學(xué)顯微鏡（OM）和掃描電鏡（SEM）對(duì)其進(jìn)行組織表征。樣品采用化學(xué)腐蝕的方法，腐蝕劑為：33%HNO3+33%H2O+33%Acetic acid+1%HF。金相制備完畢后，在Leica DM4000M光學(xué)顯微鏡下對(duì)其鑄態(tài)組織進(jìn)行觀察，并在Quanta650掃描電子顯微鏡下對(duì)其初熔組織進(jìn)行表征。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 單晶高溫合金鑄態(tài)組織

兩種合金橫截面和縱剖面的鑄態(tài)組織形貌如圖1所示，其中圖1a、圖1c為B11、B21合金試樣的橫截面微觀形貌，圖1b、圖1d為B11、B21合金試樣的縱剖面微觀形貌。從圖中我們可以看出兩種合金均有明顯的枝晶偏析行為，二次枝晶的生長(zhǎng)方向分別是[010]和[100]方向。橫截面的枝晶生長(zhǎng)呈“+”字狀，且枝晶排列有序，在枝晶間還可以觀察到大量的共晶相存在，但是對(duì)比B11和B21兩種合金的枝晶偏析行為也存在明顯的差異，可以看出B21合金中共晶相的含量要高于B11合金，且B21合金的枝晶組織更為明顯，這種現(xiàn)象主要是由元素含量的不同引起偏析程度的不同所造成的[5]。

根據(jù)兩種單晶高溫合金的熱力學(xué)計(jì)算結(jié)果，將兩種合金的初熔實(shí)驗(yàn)溫度定為4個(gè)溫度，分別為：1320℃、1330℃、1340℃、1350℃。合金的加熱方式為：首先將爐子以15℃/min的速率升溫到1250℃，然后再以5℃/min的速率升到目標(biāo)溫度，保溫30min，最后空冷，加熱曲線如圖2所示?？绽浜蟮脑嚇影凑諏?shí)驗(yàn)部分的方法進(jìn)行準(zhǔn)備，對(duì)不同溫度初熔實(shí)驗(yàn)后的樣品進(jìn)行組織表征，其結(jié)果如圖3所示。經(jīng)過初熔實(shí)驗(yàn)，兩種合金中的偏析行為均有所減輕。在1320℃初熔實(shí)驗(yàn)后，可以看到B11合金出現(xiàn)大量的初熔組織，而在B21合金中幾乎看不到初熔組織，直到1330℃才觀察到有明顯的初熔組織出現(xiàn)，且兩種合金的初熔組織都在共晶相周圍出現(xiàn)。隨著溫度的進(jìn)一步升高，初熔組織發(fā)生連接形成孔洞缺陷。根據(jù)已有的文獻(xiàn)[6-7]報(bào)道，合金的初熔組織首先會(huì)在共晶相或枝晶間出現(xiàn)，主要是因?yàn)檫@些區(qū)域富集大量的低熔點(diǎn)元素C、B等，通常這些元素的含量越高合金的初熔點(diǎn)越低。

3 結(jié)論

（1）本研究所選用的合金鑄態(tài)組織明顯，橫截面的枝晶組織呈“+”字形貌，共晶相主要出現(xiàn)在兩種合金的枝晶間區(qū)域。通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)B21合金有更加明顯的偏析傾向。

（2）從1320℃兩種合金的初熔實(shí)驗(yàn)微觀組織表征結(jié)果中可以看到，B11合金中出現(xiàn)了大量的初熔組織，而這個(gè)溫度與B21的初熔溫度接近。

（3）從這兩種合金的初熔實(shí)驗(yàn)組織表征結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)，單晶高溫合金的初熔組織首先在共晶相和枝晶間出現(xiàn)，隨著溫度的升高相鄰的初熔組織會(huì)連接在一起形成初熔通道，最后變?yōu)榭锥础?/p>

參考文獻(xiàn)：

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