新型高强度抗热腐蚀单晶高温合金研究

郑 启，杨金侠，胡壮麒，腾百秋

(1.中国科学院金属研究所，沈阳 110016;2.中航工业沈阳发动机设计研究所，沈阳 110015)

1 引言

海洋环境下应用的航空发动机、舰船发动机以及地面工业燃气轮机的涡轮高温部件要具有良好的高温力学性能和特殊的抗热腐蚀性能。

20世纪60年代，美国发展了典型的抗热腐蚀高温合金IN738，其抗热腐蚀性能几乎成为后来抗热腐蚀合金发展的对照基点。显然，Cr是提高合金抗热腐蚀性能的重要元素[1]。但随合金中Cr含量的提高，常需要降低相关强化元素加入量，以保证必要的合金组织性能稳定性。因此，抗热腐蚀高温合金的应用受到其高温力学性能的制约。后期发展的IN792、PWA1483等合金在提高高温力学性能上取得重要进展。

20世纪70年代，中国科学院金属研究所开始对抗热腐蚀高温合金进行系统研究，发展了与IN738相当的K438合金，同时自主研发了DZ38G定向凝固合金和DD8单晶合金等，使合金高温力学性能不断提高。为了满足中国涡轮发动机技术高速发展的要求，又开发了高强度抗热腐蚀M09A单晶高温合金，试图在保持抗热腐蚀性能与IN738合金的性能相当的前提下，将合金高温力学性能提高到第1代单晶合金的水平。

2 试验过程和方法

试验用M09A合金的名义成分见表1。

表1 M09A合金的名义成分 w/%

合金在真空感应炉中熔炼并浇注成母合金锭，在ZGD-2真空单晶炉上应用选晶法制备直径为16 mm的单晶合金样品。单晶合金样品轴向取向为〈001〉方向，偏离度均小于5°。

将铸态单晶合金样品在1204℃/1h+1265℃/1h/风（扇）冷+1080℃/4h/空冷条件下进行热处理。将热处理样品加工成相应试样，包括拉伸、持久、疲劳、腐蚀以及金相等试样，并测定合金的相关性能。其中腐蚀试验采用涂盐法，试验温度为900℃，涂盐成分为75%(w(Na2SO4)+25%(w(NaCl))。合金的组织观察主要在扫描电镜下进行。

3 试验结果

3.1 拉伸性能

M09A合金在室温、850℃和1000℃条件下的拉伸性能测试结果见表2。该合金表现出较高的拉伸性能，特别是在1000℃仍然保持较高强度水平，在中温下其塑性优异。

表2 M09A合金拉伸性能

3.2 高温持久性能

M09A合金在不同温度和应力条件下的持久性能见表3。作为抗腐蚀镍基合金，其高温持久性能非常突出。

表3 M09A合金的持久性能

3.3 机械疲劳性能

M09A合金在900℃、应力为400 MPa典型条件下的高周旋弯疲劳（R=-1，2个样品）寿命测试结果为4×106和 9×106周。

3.4 抗热腐蚀性能

热腐蚀试验采用恒温涂盐失重法，试验温度为900℃，涂盐成分为75%(w(Na2SO4)+25%(w(NaCl))，并取K438合金（与IN738合金相当）同时进行热腐蚀对比试验，结果如图1所示。M09A合金的腐蚀速率比K438(IN738)合金的更低，表现出良好的抗热腐蚀性能。

3.5 主要物理性能

采用DSC方法测定M09A合金的熔化温度区间为1302～1348℃，采用金相法测得的初熔温度为1265℃，用阿基米德法测得的合金密度为8.37 g/cm3。

3.6 组织结构

M09A合金铸态组织如图2所示，热处理组织如图3所示。铸态组织由γ基体、γ′相和γ′/γ共晶等基本组成相组成，存在较多的共晶组织（如图2（a）所示），枝晶间区域γ′相比较粗大且形状不规则（如图2（c）所示）。热处理后，共晶组织消失（如图3（a）所示），γ′相得到细化，尺寸形貌趋于一致，已难以区分枝晶干和枝晶间组织（如图3（b）所示）。

3.7 长期时效组织性能稳定性

M09A合金在900℃长期时效，检验1000 h后合金持久性能和组织结构变化，与合金时效之前和时效1000 h后的持久寿命对比见表4。从表中可见持久寿命变化非常小。

表4 900℃长期时效前和时效1000 h后M09A合金的持久性能（980℃/220 MPa）的变化

M09A合金长期时效前和时效1000h后的组织形貌对比如图4所示。从图中可见，在900℃时效1000h后，组织变化并不明显，γ′略有粗化，但未见TCP相出现图4。

采用PHACOMP法计算M09A合金平均电子空位数（Nv）为2.363，小于形成TCP相的电子空位数临界值2.52[2]，也证明合金组织相对稳定。

4 提高抗热腐蚀性能的因素

在镍基高温合金中，Cr是提高合金抗热腐蚀性能的主要元素，但Cr增加TCP相的形成趋向，所以限制了其它强化元素的加入，这也是抗热腐蚀高温合金高温强度普遍偏低的原因，不能满足先进发动机的发展要求。

通过适当控制 Cr含量（wCr＝11.0～15.0），既保证M09A合金良好的抗腐蚀性能，也为增加主要强化元素（Al、Ti、W、Mo、Ta等）的含量提供可能，增强M09A合金沉淀强化和固溶强化水平。同时应用单晶技术，消除晶界，进一步提高该合金的抗热腐蚀性能、高温力学性能和组织稳定性。Ta元素在γ和γ′相中均有分布，起到良好的强化作用，并且不易形成TCP相[3]。Ti比Al的偏析倾向大，具有促进TCP相形成的作用[3]。综合这些因素所设计的M09A合金，其抗热腐蚀性能达到K438（IN738）合金的水平（图1）；其拉伸性能和高温持久性能超过了已有的抗热腐蚀合金以及典型的DZ125高强度定向凝固合金的（如图5所示），与第1代单晶合金的水平相当（如图6所示）；M09A合金组织性能稳定。特别是M09A合金不含Re、Ru、Hf等贵重金属元素，具有成本低、密度小的优点。用M09A合金制备了复杂空心涡轮叶片，未出现裂纹、等轴晶、雀斑等缺陷，表现为较好的铸造工艺性。

5 结论

在合金电子空位数计算和抗热腐蚀与力学性能研究的基础上，发展了1种新型高强度抗热腐蚀单晶高温合金M09A。M09A合金抗热腐蚀性能与K438（IN738）合金的相当；高温力学性能超过已有的抗热腐蚀合金和典型的高强度定向凝固合金DZ125的，并与第1代单晶水平相当；组织性能稳定，不含Re、Ru、Hf等贵重金属元素，成本低，密度小；具有较好的铸造性能。

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