铼(Re)对定向高温合金组织与性能的影响

贾新云， 黄朝晖， 谭永宁， 张 强， 张宏炜

(北京航空材料研究院先进高温结构材料国防科技重点实验室，北京100095)

加入难熔元素Re是提高高温合金蠕变强度最有效的方法之一，国外的二代、三代单晶高温合金及定向高温合金分别加入3%和6%左右的Re为标志，每一代大约提高合金的承温能力30℃［1，2］，这主要是Re元素的作用。目前除我国二代单晶高温合金DD6中加入Re元素外［3］，近年来又在新研制的二代定向高温合金加入Re［4］，所以了解和掌握Re元素对定向高温合金组织和性能的影响，以及提高定向高温合金强度的机理对研制二代定向高温合金具有重要的意义。

DZ9合金是新研制的二代定向凝固柱晶高温合金，合金主要以第二相γ'强化兼固溶强化，γ'相的体积分数超过60%，难熔金属元素(W+Mo+Ta +Re)的含量大于15%;合金具有良好的力学性能和铸造性能，主要用于制造涡轮发动机的导向叶片。本研究在DZ9合金的基础上进行Re元素含量的调整，分析研究Re元素含量对二代定向高温合金组织和性能的影响。

1 实验材料与方法

实验用母合金在200kg真空感应炉中熔炼(VIM)，浇注成φ80mm的合金锭。定向凝固试棒在ISP2/Ⅲ-DS真空感应炉中进行，采用快速凝固(HRS)法，制备铸态柱晶试棒。实验用合金以第二代定向DZ9合金为基础，合金名义成分为9Co-6Cr-8W-5.7Al-0.5Mo-3Ta-1.5Hf-Ti-3Re，单独调整Re含量，A，B，C合金Re含量分别为:0，1.5%，3%(质量分数，下同)。

首先用金相法和DSC法测试合金(铸态)的初熔温度和 γ'回溶温度。之后对试棒进行热处理(1260℃/3h，AC+1080℃/4h，AC+870℃/20h，AC)。采用光学显微镜和扫描电镜对合金的铸态和热处理态的组织进行对比分析，同时将试棒加工成拉伸和持久性能试样进行力学性能测试。

2 实验结果与讨论

2.1 Re含量对合金的初熔温度的影响

首先采用差热分析方法(DSC)测试了合金的熔化温度和γ'相的回溶温度，结果见表1。结果表明，合金A的熔化温度范围为1355～1395℃，γ'相完全回溶温度为1274℃;合金C的熔化温度范围为1361～1399℃，γ'相完全回溶温度为1284℃。结果表明，加入Re可提高γ'相的回溶温度，同时合金的固液相线也有所提高。

表1 合金的初熔温度和γ'相的回溶温度Table 1 γ'-solvus temperature and incipient melting temperature of the alloy

2.2 Re含量对合金组织影响

不同Re含量的合金铸态组织如图1和图2所示。

共晶形态和尺寸:不含Re的合金A(0Re)，其共晶γ+γ'相呈葵花状，尺寸较大;合金B(1.5Re)的共晶γ+γ'相大多数呈葵花状，且尺寸变小，另外有少数共晶γ+γ'相呈扇形;当Re元素的含量增加到3.0%时，合金C(3Re)的共晶γ+γ'相有的呈不对称的葵花状，有的呈扇形。

枝晶干γ'相组织:从图2可以看出，各合金的γ'相组织形态明显不同。与含Re合金相比，不含Re的合金A中γ'相尺寸较大，约为0.6μm;Re元素含量增加到1.5%时，合金B(1.5Re)的γ'相尺寸细化，约为0.3μm左右;当Re元素的含量增加到3.0%时，合金C(3Re)的γ'相尺寸约为0.2μm左右。这说明，合金元素Re对定向合金γ'相组织有较大影响，随Re含量的增加，枝晶干的γ'相越来越细小，γ'相形态逐渐立方化。

以上结果表明，Re的含量显著影响γ'相尺寸;添加Re元素，强烈抑制凝固后析出γ'相的长大。

合金热处理后的组织见图3和图4。结果表明，合金A(0Re)残留共晶较少，有少量区域发生初熔现象，γ'相呈圆形且尺寸较大;合金B(1.5Re)残留共晶也比较少，γ'相大多呈圆形且尺寸较小，少数有点立方化;合金C(3Re)残留共晶较多，未发现初熔现象，γ'相呈方形。以上结果表明，Re含量明显影响γ'相尺寸，随着Re元素含量增加，γ'相细化且呈方形。

2.3 Re含量对合金性能的影响

Re元素含量对合金拉伸性能的影响见图5。结果表明，随着元素Re含量的增加，DZ9合金的室温强度呈增加趋势，特别是屈服强度增加明显;Re含量为1.5%，塑性最高，Re含量继续增加，合金塑性呈下降趋势。

图4 不同Re含量的合金热处理后枝晶干γ'形态Fig.4 Effect of Re content on morphology of γ'phase after heat treatment(a)0Re;(b)1.5Re;(c)3.0Re

图5 Re元素含量对DZ9合金热处理态室温拉伸性能的影响Fig.5 Effect of Re content on room-temperature tensile properties of DZ9 alloy

Re含量对DZ9合金持久性能的影响见图6。可以看出，合金B(1.5Re)的760℃持久寿命最高; 980℃和1100℃的持久寿命随着元素Re含量增加呈明显提高趋势。与此相对应，合金B(1.5Re)的760℃持久塑性最高;980℃和1100℃的持久塑性随着元素Re含量增加呈明显下降趋势。可以看出，合金中加入Re元素可明显提高高温合金的高温持久性能。

2.4 讨论

图6 Re元素含量对DZ9合金热处理态持久性能的影响Fig.6 Effect of Re content on stress-rupture properties of DZ9 alloy (a)stress-rupture life;(b)stress-rupture ductility

众多研究表明［5，6］，Re主要分布于γ基体中，由于Re具有较低的扩散系数和较大的原子半径，可阻止基体中元素的扩散和基体与强化相之间的扩散，从而对基体起到明显固溶强化效果。另外，加入Re元素可有效阻碍强化γ'相的凝集，从而有效地提高合金的强度。

加入Re元素可明显提高合金高温持久性能。合金980℃持久断口见图7，可以看出，当合金不含Re时，合金980℃持久断口比较平整，平面微孔较少;随着Re含量增加，合金持久断口的深度增加，且微孔数量增多、深度增加。980℃持久断裂机理是微孔聚合长大机制。在较高温度下位错靠空位或原子扩散运动，在位错集中的地方先形成细小孔洞，然后以孔洞为核心向外扩展，多个孔洞连接成为裂纹。

这主要是由于在高温条件下，合金的应变速率主要由金属内部的元素扩散控制［7］，因此表现为含3Re合金在高温(980℃和1100℃)下的持久寿命远远高于不含Re的合金。

3 结论

(1)加入Re可提高γ'相的回溶温度和合金的初熔温度;Re的含量显著影响合金的γ+γ'共晶相形态、γ'相的尺寸和形态。

图7 980℃/248MPa持久断口形貌Fig.7 Fractograph of stress-rupture at 980℃/248MPa (a)0Re;(b)3.0Re

(2)随着Re含量的增加，合金的室温强度特别是屈服强度增加，合金的高温持久寿命显著增加。

［1］CETEL A D，DUHL D N.Second-generation nickel-base single crystal superalloy［C］//REICHMAN S，DUHL D N，MAURER G，et al.Superalloys 1988.Pennsylvania: TMS，1988:235-244.

［2］WALSTON W S，O'HARA K S，ROSS E W，et al.Rene N6:third generation single crystal superalloy［C］//KISSINGER R D，DEYE D J，ANTON D L，et al.Superalloys 1996.Pennsylvania:TMS，1996:27-34.

［3］LI J R，ZHONG Z G，TANG D Z，et al.A low-cost second generation single crystal superalloy DD6［C］//POLLICK T M，KISSINGER R D，BOWMAN R R，et al.Superalloys 2000.Pennsylvania:TMS，2000:777-783.

［4］黄朝晖，谭永宁，贾新云，等.第二代定向凝固柱晶高温合金DZ406［C］//第十一届中国高温合金年会论文集.北京:冶金工业出版社，2007:384-387.

［5］CAARON P.High γ'solvus new generation nickel-based superalloys for single crystal turbine blade applications［C］//POLLOCK T M，KISSINGER R D，BOWMAN R R，et al.Superalloys 2000.Pennsylvania:TMS，2000: 737-746.

［6］TIN S，YEH A C，OFORI A P，et al.Atomic partitioning of ruthenium in Ni-based superalloys［C］//GREEN K A，POLLOCK T M，HARADA H，et al.Superalloys 2004. Pennsylvania:TMS，2004:735-741.

［7］郑修麟.材料的力学性能［M］.西安:西北工业大学出版社，1994:150.