固溶温度对第三代镍基单晶高温合金DD10组织的影响

曹腊梅，李相辉，陈晶阳，薛 明，张 勇

（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）

固溶温度对第三代镍基单晶高温合金DD10组织的影响

曹腊梅，李相辉，陈晶阳，薛 明，张 勇

（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）

采用扫描电镜（SEM）和金相显微镜（OM）组织观察以及能谱（EDS）分析等手段研究了固溶处理温度对第三代镍基单晶高温合金DD10显微组织、枝晶偏析和组织稳定性的影响。结果表明：合金经1290℃／6h固溶后共晶基本消除，1330℃／6h固溶时出现少量微孔，1340℃／6h时则出现初熔。合金经1320℃和1330℃固溶处理后，枝晶偏析程度明显改善。1095℃组织稳定性研究表明：合金经1330℃固溶处理后的由于枝晶偏析程度较小，析出的TCP相数量显著减少，合金的组织稳定性较好。此外，固溶温度对γ′相形貌、体积分数和尺寸的影响不大。

DD10；固溶温度；显微组织；γ′相；枝晶偏析；TCP相

镍基单晶高温合金具有较高的承温能力和良好的高温性能，被广泛用于制造航空发动机涡轮叶片［1，2］。目前，商用镍基单晶高温合金已发展至第三代，其中每一代的承温能力均比上一代提高约30℃，这主要得益于在合金中不断添加了难熔合金元素（Re，Mo，W和Ta），这些难熔合金元素（尤其是Re）通过降低元素扩散、延缓γ′相长大、有效阻碍位错运动以及固溶强化显著提高单晶的高温蠕变性能［3－5］。第三代单晶合金中Re及难熔合金元素总量分别达到4%～6%（质量分数，下同）和超过20%［1，3］。与此同时，由于难熔合金元素扩散缓慢，合金在长期服役过程中容易在枝晶干处析出富集这些元素的不稳定组织，如：TCP相，从而严重损害合金的高温性能［6，7］。因此，需要在单晶合金制件制备过程中降低Re等难熔合金元素的偏析，以便推迟或减少不稳定组织的析出。

固溶处理是改善单晶合金难熔合金元素枝晶偏析、提高高温性能的最有效方法之一［8－11］。一些新型第三代镍基单晶高温合金同时含有微量的C，B和Hf等元素，从而降低了合金的初熔温度，人们通过采用较为复杂的固溶热处理工艺，如CMSX－10采用分段、低升温速率固溶处理，实现了合金不出现初熔、消除共晶及显著改善枝晶偏析的目的［8］。本工作研究了第三代镍基单晶高温合金DD10的固溶处理工艺及显微组织特征，分析了固溶处理温度对难熔合金元素枝晶偏析、γ′相以及组织稳定性的影响。

1 实验方法

DD10单晶合金的成分为：Ni－4Cr－12Co－2Mo－6W－5Re－5Al－7Ta－0.02C。采用螺旋选晶法在定向凝固设备上制备出［001］结晶取向，尺寸为φ15mm×160mm的单晶试棒。利用劳厄背散射法测定试棒的结晶取向，偏离［001］方向控制在5°以内。

采用示差扫描量热仪（DSC）测定了合金的固液相点温度，分别为1365℃和1410℃。实验中采用的四种固溶处理制度见表1。合金的时效热处理制度为：1149℃／4h，AC＋871℃／24h，AC。采用光学显微镜（OM）和扫描电子显微镜（SEM）表征合金的显微组织形貌。利用扫描电镜能谱（SEM－EDS）评定合金元素偏析，偏析系数k可表述为：

式中Cinceri和Ccorei分别表示合金元素i在枝晶间和枝晶干的质量分数。当k＞1时，元素i富集于枝晶间；当k＜1时，元素i富集于枝晶干。利用Image－Pro软件统计γ′相尺寸，利用网格法测定共晶含量和γ′相体积分数，相同的样品采用3～5张照片进行统计。

表1 DD10镍基单晶高温合金的固溶处理制度Table 1 Solution heat treatment schedules of DD10

2 实验结果及分析

2.1 铸态组织

图1所示为合金的铸态组织形貌。从图1（a）的试棒横截面组织光学照片中可以看出，合金枝晶间存在白色的γ／γ′共晶相，其体积分数约为4.5%。共晶在合金凝固后期形成，其数量在一定程度上反映了成分偏析程度，数量多，则表明偏析严重。同时，共晶在蠕变过程中会成为裂纹源，从而降低合金寿命。因此合金需要经固溶处理，使共晶绝大部分或完全溶于基体。此外，枝晶间还析出了少量的碳化物，如图1（b）SEM照片箭头所指处。扫描电镜能谱分析表明该碳化物富集Ta。Ta是强碳化物形成元素，且强烈偏析于枝晶间，故此在凝固阶段优先与C形成MC型碳化物TaC。

图1 DD10合金铸态组织形貌 （a）共晶；（b）碳化物Fig.1 Microstructures of as－cast DD10 （a）eutectic；（b）carbide

2.2 固溶组织和枝晶偏析

为使合金不出现初熔且难熔合金元素分布更加均匀化，合金首先在较低的温度下进行均匀化预处理，来提高合金的初熔温度，而后提高温度再次进行分段处理。图2为合金在不同固溶温度下的光学组织。合金经1290℃固溶后（A1制度），绝大部分共晶已溶入基体，只有极少量残余（约0.2%），见图2（a）箭头所示。1320℃固溶后（A2制度）共晶已完全消失，见图2（b）。当固溶温度提高到1330℃时（A3制度），共晶完全消除，同时合金内部形成了少量不同于疏松的微孔（图2（c）中箭头所指处），图2（c）左下角为微孔的高倍SEM照片，可见其呈规则球状。固溶温度继续升高至1340℃时（A4制度），合金出现了初熔，见图2（d）。

图2 DD10不同固溶温度下的典型组织 （a）1290℃，试样内部；（b）1320℃，试样内部；（c）1330℃，试样内部；（d）1340℃，试样内部；（e）1290℃，试样表层Fig.2 Microstructures of DD10after solution heat treatment at different temperatures（a）1290℃，inside of specimen；（b）1320℃，inside of specimen；（c）1330℃，inside of specimen；（d）1340℃，inside of specimen；（e）1290℃，surface of specimen

铸态合金中的疏松多呈不规则形貌，与微孔形貌不同。此外，合金经1290℃固溶处理后，在其表层也形成了与图2（c）类似的微孔（如图2（e）所示），而在内部则不存在微孔，上述分析表明这些微孔并不是初熔组织。镍基单晶在较高温度热处理时，通过空位的扩散和集聚作用容易在合金表面形成微孔组织，并且随着热处理温度的提高，空位的扩散和集聚速率增大，形成更多的微孔［12］。

表2列出了合金热处理前后的偏析系数k。铸态合金中，Re，W和Mo偏析于枝晶干，偏析系数分别为0.32，0.45和0.61；而Ta元素偏析于枝晶间，其偏析系数为3.26。经固溶热处理后，难熔合金元素的偏析程度明显改善，并且随固溶温度升高，偏析的改善程度提高，1330℃时Re，W，Mo和Ta的偏析系数分别为0.82，0.91，0.94和1.22。DD10合金元素的偏析行为与以往的报道是相一致的［13，14］。

表2 铸态和固溶后难熔合金元素的偏析系数Table 2 The segregation coefficient of the refractory alloying elements of as－cast alloy and alloy after solution heat treatment

综合考虑固溶组织和枝晶偏析：DD10单晶合金经1320℃固溶在消除共晶的同时，未出现初熔和微孔组织并且枝晶偏析较之铸态有了很大的改善，因此该固溶温度较为适合。合金经1330℃固溶处理后出现了少量的微孔（图2（c）），微孔的形成可能会对合金的性能造成不利影响。但是，考虑到1330℃固溶处理后产生的微孔数量较少，以及较高的固溶温度对难熔合金元素偏析和组织稳定性的改善作用，1330℃也可作为合适的固溶温度。

图3所示为合金经A2和A3固溶处理后枝晶干处的典型形貌。固溶后过饱和的γ基体在空冷过程中析出了细小的γ′相，固溶温度对γ′相尺寸和形貌的影响不明显，两种固溶制度下γ′相尺寸均在90～100nm范围内。

2.3 固溶温度对时效组织的影响

固溶处理后对合金进行时效处理，以便调整γ′相的数量、尺寸和形状。时效处理过程中γ′相沿着固溶过程中析出的细小γ′相继续析出并长大。图4所示为合金经两种制度的固溶处理并时效后枝晶干处γ′相的典型形貌。可见，γ′相形貌特征基本一致，均为接近立方形，尺寸约为0.3～0.32μm，体积分数分别为60.7%和57.8%。因此，固溶温度对DD10合金γ′相形貌、尺寸和体积分数的影响不大。

2.4 固溶温度对组织稳定性的影响

组织稳定性是镍基单晶高温合金合金一个重要指标。单晶合金虽然经过高温固溶均匀化处理，但难熔合金元素Re，W和Mo仍偏析于枝晶干，当偏析程度过高时合金在高温长期服役过程中会析出TCP相，损坏合金的组织稳定性。

图5所示为DD10合金在两种温度固溶处理并经1095℃不同时间热处理后枝晶干处的典型显微组织。可见，A2制度下（固溶温度为1320℃），合金在1095℃热处理100h后在枝晶干析出了较多短棒状和颗粒状的TCP相（图5（a）），其体积分数约为3.4%；能谱分析结果表明该TCP相富集Re，W和Cr元素。进一步观察表明TCP相周围包裹着γ′相，见图5（a）左下角放大图所示。这是由于TCP相在形成过程中逐渐吸收周围的Re，W和Cr等TCP相形成元素而排出Al和Ta等γ′相形成元素，随着TCP相的长大，在其周围形成γ′相包裹层［15］。随着热处理时间的延长，TCP相析出范围变大并且其尺寸和体积分数均增大（图5（b））；当热处理时间达到500h时，TCP相在枝晶干相互连接起来，体积分数达到6.8%，见图5（c）。对于A3制度（固溶温度为1330℃），合金热处理100h后TCP相刚析出，其成分和形貌与A2制度相似，但是体积分数仅为A2制度100h的0.4（图5（d））；热处理时间延长至200h后，TCP相只是在尺寸上有所增加而其数量无明显变化，见图5（e）；热处理500h后，TCP相数量明显增多，体积分数为2.8%（图5（f）），但仍显著小于A2制度。上述研究结果表明，随着固溶温度的增大，TCP相析出倾向显著减小。这是由于在较高的温度下固溶处理后，合金的枝晶偏析得到了更好的改善（见表2），Re，W和Mo等强TCP相形成元素在合金中的分布更加均匀，从而降低了TCP相的析出动力。

3 结论

（1）DD10合金经1290℃固溶处理后共晶基本消除，1330℃时出现少量微孔，1340℃时发生初熔。

（2）1095℃组织稳定性研究表明：不同固溶温度下（1320℃和1330℃），合金经100h时效处理后枝晶干处均析出了富集Re，W和Cr元素的TCP相。但是经1330℃固溶处理后的合金由于枝晶偏析较小，析出的TCP相数量显著减少，其组织稳定性较好。

（3）固溶温度对标准热处理后γ′相形貌、体积分数和尺寸的影响不大。

图5 DD10合金经1095℃不同时间热处理后枝晶干处的典型SEM组织（a），（d）100h；（b），（e）200h；（c），（f）500h（a）～（c）固溶温度为1320℃；（d）～（f）固溶温度为1330℃Fig.5 Typical microstructures in the dendrite core of DD10after heat treatment at 1095℃for different time（a），（d）100h；（b），（e）200h；（c），（f）500h（a）－（c）solution heat treatment at 1320℃；（d）－（f）solution heat treatment at 1330℃

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Influence of Solution Heat Treatment Temperature on the Microstructure of the Third Generation Ni－based Single Crystal Superalloy DD10

CAO La－mei，LI Xiang－hui，CHEN Jing－yang，XUE Ming，ZHANG Yong
（National Key Laboratory of Science and Technology on Advanced High Temperature Structural Materials，Beijing Institute of
Aeronautical Materials，Beijing 100095，China）

The effects of solution heat treatment temperature on the microstructures，dendritic segregation and microstructural stability of the third generation Ni－based single crystal superalloy DD10 were investigated by using technics such as SEM （Scanning Electron Microscope），OM （Optical Microscope）and EDS（Energy Dispersive X－ray Spectroscope）analysis.The results indicate that the eutectic is almost disappeared at 1290℃／6h.Limited amount of microporosities are observed in the interdendritic region at 1330℃／6hand initial melting appears while the solution heat treatment temperature is up to 1340℃.The dendritic segregation degree is decreased after solution heat treatment at both 1320℃and 1330℃.The results of long－term thermal exposure at 1095℃indicate that the microstructural stability of DD10is improved and the amount of TCP phase is decreased significantly after solution heat treatment at 1330℃due to lower dendritic segregation.Furthermore，the morphology，size and volume fraction ofγ′precipitates are not influenced by solution heat treatment temperature.

DD10；solution heat treatment temperature；microstructure；γ′precipitate；dendritic segregation；TCP phase

TG146.15；TG132.32

A

1001－4381（2011）10－0023－05

国家重点基础研究发展计划项目（2010CB631202）

2011－01－25；

2011－07－20

曹腊梅（1966－），女，研究员，现从事高温合金的研究，联系地址：北京市81信箱1分箱（100095），E－mail：lamei.cao＠biam.ac.cn