抽拉速率对DD6单晶高温合金组织的影响

张明军,骆宇时,肖程波,唐定中,吴仲棠

(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)

抽拉速率对DD6单晶高温合金组织的影响

张明军,骆宇时,肖程波,唐定中,吴仲棠

(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)

采用不同的抽拉工艺制备DD6单晶合金,分析了DD6单晶合金的显微组织,研究了不同抽拉工艺对DD6合金组织的影响。结果表明,随着抽拉速率的降低,DD6合金一次枝晶间距增加,枝晶干和枝晶间γ′相尺寸变大,共晶组织呈粗化趋势,γ2γ′共晶组织含量减少,合金中主要元素偏析程度减轻。

单晶高温合金;抽拉速率;组织

镍基高温合金以其优异的高温性能,一直是制造先进航空发动机和燃气轮机叶片的首选材料。单晶高温合金及其制备的涡轮叶片也已经广泛应用在先进航空发动机上[1-3]。DD6合金作为我国自主研制的第二代单晶高温合金,含Re量只有1.6%(质量分数,下同)～2.4%(国外第二代Re含量3%),具有低成本优势,且性能达到甚至超过国外应用的第二代单晶合金水平[4-7],获得了广泛的应用。本工作研究了不同抽拉速率对DD6合金组织的影响。

1 实验方法

在真空感应熔炼炉中制备母合金,在ISP2Ⅲ真空感应定向结晶炉中用螺旋选晶法制备[001]取向单晶合金试样,抽拉速率分别为4mm/min,3mm/min和2mm/min,其他铸造参数相同。采用单位面积计算法测定一次枝晶间距,采用DM 4000M金相显微镜观察枝晶和共晶组织形貌,采用quanta600环境扫描电子显微镜观察相组织,采用能谱分析测定枝晶干和枝晶间主要元素含量。

2 实验结果与分析

2.1 抽拉速率对枝晶间距的影响

图1为不同抽拉速率下DD6合金组织,可以看出,随着抽拉速率的降低,DD6合金组织逐渐由细枝状变为粗枝状组织,枝晶花样粗大,二次枝晶变少,一次枝晶间距逐渐变大。单位面积计算法测得一次枝晶间距分别为338,430,447μm。图2为抽拉速率与枝晶间距的曲线拟合关系。

2.2 抽拉速率对铸态组织的影响

图3为不同抽拉速率下DD6合金SEM组织形貌。可以看出,枝晶干处的γ′细小,形貌基本呈规则的立方体形状,枝晶间处γ′较粗大,且呈不完全规则的立方体形状。随着抽拉速率的降低,枝晶干和枝晶间的γ′尺寸都增大。在单晶高温合金铸态组织中,γ′相绝大部分是由过饱和的γ相中析出,抽拉速率越小,冷却速率越小,γ′形核过冷度越小,形核数量相应减少,长大时间较长,因而γ′相尺寸较大,形状呈不完全规则的立方体形状。图3(g)和3(h)是抽拉速率3mm/m in热处理后的组织,对比同样抽拉速率的铸态组织(图3(c)和3(d)),可见,热处理后,γ′立方化程度更好,并且析出更细小的γ′相。

图1 不同抽拉速率下DD6合金枝晶形貌(a)4mm/min;(b)3mm/min;(c)2mm/minFig.1 Dendrite morphologies of alloy DD6 at different w ithdraw ing rates (a)4mm/min;(b)3mm/min;(c)2mm/min

图2 抽拉速率与枝晶间距的曲线拟合关系Fig.2 Relationship betw een dendrite arm spacing and the w ithdraw ing rates

2.3 抽拉速率对γ2γ′共晶组织的影响

图4为不同抽拉速率下DD6合金γ2γ′共晶组织形貌。可以看出,共晶组织中尺寸较大的呈光板状和葵花状,尺寸较小的呈块状。在相邻较大共晶组织间有大量的粗大铸态γ′相连在一起,使邻近块状共晶组织构成骨架状。在共晶组织周围偶尔能看到有少量碳化物相。因为DD6合金中碳含量只有0.001%～0104%,形成的碳化物含量极少。在尺寸较大的葵花状共晶组织中有大量的细小γ′析出,析出的细小γ′从中心往四周呈发散趋势。随着抽拉速率的降低,共晶组织呈粗化趋势,百分含量减少,金相分析其含量分别为6.2%,5.6%和5.3%。

图3 不同抽拉速率下DD6合金微观组织形貌(a)铸态枝晶干,4mm/min;(b)铸态枝晶间,4mm/min;(c)铸态枝晶干,3mm/min; (d)铸态枝晶间,3mm/m in;(e)铸态枝晶干,2mm/m in;(f)铸态枝晶间,2mm/min; (g)热处理后枝晶干,3mm/min;(h)热处理后枝晶间,3mm/minFig.3 γ′mo rphologies of alloy DD6 at different w ithdraw ing rates (a)dendritic co re,4mm/min;(b)interdendritic,4mm/min;(c)dendritic co re,3mm/min;(d)interdendritic,3mm/min; (e)dendritic co re,2mm/min;(f)interdendritic,2mm/min;(g)heat treatment regime dendritic core,3mm/min; (h)heat treatment regime interdendritic,3mm/min

图4 不同抽拉速率下DD6合金γ2γ′共晶组织形貌(a),(b)4mm/min;(c),(d)3mm/min;(e),(f)2mm/minFig.4 Eutectic morphologies ofγ2γ′of alloy DD6 at different withdrawing rates (a),(b)4mm/min;(c),(d)3mm/min;(e),(f)2mm/min

2.4 抽拉速率对枝晶元素偏析的影响

表1为不同抽拉速率下DD6合金主要元素枝晶干和枝晶间化学成分与偏析比。可以看出,在DD6合金定向凝固组织中,A l,Cr,Nb,Mo,Ta主要偏析于枝晶间,Co,W,Re主要偏析于枝晶干。其中Nb, Ta,W,Re的偏析严重,而Cr,Ni,Mo偏析不大。从表1可以看出,随着抽拉速率的降低,各元素的偏析程度有减轻的趋势,偏析比更趋于1。原因是抽拉速率降低,枝晶界面形核过冷度变小,树枝晶二次分枝不易生长,枝晶间液相流动扩散更容易,从而合金元素更容易均匀化,偏析程度减轻。但偏析减轻程度并不明显,主要是各抽拉速率之间的差距并不大。经热处理后,除W和Re的偏析比仍在0.8左右外,其余元素偏析比都接近1,偏析基本上消除。由于金属元素中W和Re熔点最高,固溶体在结晶过程中,先凝固的枝晶干易富集高熔点组元W和Re等,而后凝固的枝晶间部分则易富集A l,Ti等熔点较低组元。因Re具有较低的扩散系数和较高的γ/γ′分配系数,热处理过程很难对其偏析进行有效消除。也有文献资料解释Re的加入增加了合金其他元素的偏析程度[8-10]。

表1 不同抽拉速率下DD6合金枝晶干和枝晶间化学成分与偏析比(质量分数/%)Table 1 Composition of dendrite and interdendrite and co rresponding segregation ratios(C inter/C core)at different w ithdraw ing rates(mass fraction/%)

3 结论

在所研究的2～4mm/min抽拉速率,随着抽拉速率降低,一次枝晶间距增加,枝晶干和枝晶间γ′尺寸稍有增大,形状呈不完全规则的立方体形状,共晶组织呈粗化趋势,γ2γ′共晶含量逐渐减少,主要合金元素偏析程度减轻。

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Effect of W ithdraw ing Rate on M icrostructure of Single Crystal Superalloy DD6

ZHANGM ing2jun,LUO Yu2shi,XIAO Cheng2bo, TANGDing2zhong,WU Zhong2tang
(National Key Laboratory of Advanced High Temperature Structural M aterials,Beijing Institute of Aeronautical Materials,Beijing 100095,China)

The effectof w ithdraw ing rate on microstructure of single crystal superalloy DD6 was inves2 tigated.The results show that,w ith the decreasing of w ithdraw ing rate,the p rimary dendrite arm spacing increases,the size ofγ′phase in the dendrite co re and in the interdendrite increases slightly, the volume fraction ofγ2γ′eutetic decreases,and the segregation of main elements decreases.

single crystal superalloy;w ithdraw ing rate;microstructure

TG132.2

A

100124381(2010)1120008203

2009206202;

2010201228

张明军(1982—),男,工程师,主要从事铸造高温结构材料及其工艺研究,联系地址:北京市81信箱1分箱(100095),E2mail: zm j240@yahoo.com.cn