不同使用温度下DD6单晶高温合金的组织演变行为

史振学，刘世忠，熊继春，李嘉荣(北京航空材料研究院 先进高温结构材料重点实验室，北京 100095)

镍基单晶高温合金具有优良的高温性能，良好的抗氧化性能和抗热腐蚀性能，良好的抗疲劳强度、断裂韧性和塑性等综合性能，现在已替代传统的多晶高温合金，是目前制造先进航空发动机涡轮叶片的主要材料[1-4]。DD6合金为我国自主研制的第二代镍基单晶高温合金，具有高温强度高、综合性能好、组织稳定及铸造工艺性能好等优点，其拉伸、持久、抗氧化及耐热腐蚀等性能达到甚至部分超过国外广泛应用的第二代单晶高温合金 PWA1484、René N5、CMSX-4的性能[5-6]。与第一代DD3单晶高温合金相比，DD6合金承温能力提高了约40 ℃，适用于制作1100 ℃以下工作的具有复杂内腔的燃气涡轮工作叶片等高温零件[7]。为了提高航空发动机的性能，关键是提高涡轮叶片的工作温度，这对单晶高温合金的承温能力提出了更高的要求[8]。对确定成分的单晶高温合金，性能主要取决于合金组织。不同的合金组织对应于不同的合金性能[9-10]。镍基单晶高温合金完全热处理后的显微组织主要由γ 基体和γ′强化相组成，其力学性能在很大程度上取决于 γ′强化相的尺寸、形态、分布和体积分数[11-12]。涡轮叶片工作条件苛刻，所受温度环境条件十分复杂，使用过程中有时会超过合金理想状态的使用温度。γ′相的形貌受界面能和应变能控制，较高的使用温度肯定对合金的组织产生影响，进而影响合金的性能。因此，有必要开展较高使用温度对合金组织影响的研究，为合金的发展和安全使用提供依据。通过这方面工作的系统研究，将使用温度与组织建立对应关系，就能够通过解剖分析服役过叶片的显微组织，大致推算出涡轮叶片工作的最高温度，为发动机设计人员提供技术支持。本文作者对标准热处理DD6合金在不同温度进行保温热处理，以模拟合金的使用温度，分析了不同使用温度下合金的组织演变特征，并通过相图计算和差热分析讨论了合金组织演变机理。

1 实验

实验用DD6母合金的名义化学成分如表1所列。在高温度梯度真空定向凝固炉中采用螺旋选晶法制备[001]取向的DD6单晶高温合金试棒。用劳埃X射线背反射法确定单晶试棒的结晶取向，试棒的[001]结晶取向与主应力轴方向的偏差在 10°以内。试样经(1290 ℃，1 h)+(1300 ℃，2 h)+(1315 ℃，4 h，AC)+(1120 ℃，4 h，AC)+(870 ℃，32 h，AC)标准热处理后，分别在 1100、1150、1200、1250、1300和1320 ℃温度下保温1 h后进行空冷处理。用扫描电镜观察合金标准热处理组织和不同温度处理后的组织，采用单位面积计算法测定合金 γ′相的体积分数，采用JMatpro软件对合金进行热力学计算，采用热分析法确定合金的相转变温度。采用d3 mm×2 mm的小圆片试样，在NETZSCH STA409型热分析仪上进行热分析，升温速率和降温速率均为10 ℃/min。

表1 DD6合金的名义成分Table 1 Nominal chemical compositions of DD6 alloy (mass fraction, %)

图1 经标准热处理后DD6合金的SEM像Fig. 1 SEM images of DD6 alloys after standard heat treatment: (a), (b) Low magnification; (c) High magnification

2 结果与分析

2.1 合金的标准热处理组织

图1所示为DD6合金经过固溶与二级时效处理后的标准热处理组织。单晶高温合金的铸态组织中存在共晶、枝晶偏析等组织不均匀性。通过固溶和时效处理，使单晶高温合金获得立方化较好、合适尺寸、高体积分数的 γ′相组织，使单晶高温合金具有最优的综合性能，因此，单晶高温合金使用前都要进行热处理。对DD6合金采用两步热处理：固溶处理以消除共晶、组织均匀化，减小合金元素偏析；时效热处理以调整γ′相的数量、尺寸和形状, 获得合适的γ′相组织。由图1看出，合金经标准热处理后，γ′相立方化良好，平均尺寸为0.43 µm，体积分数约为61%(见表2)，γ基体通道的平均宽度为51 nm，基体通道中无细小的二次γ′相析出，这与文献[13]的研究结果相同。

2.2 不同温度处理后DD6合金的显微组织

图 2所示为不同温度处理后 DD6合金的 γ′相组织。合金经1100 ℃保温处理后，合金中γ′相立方化程度稍有增加，尺寸稍有增加；基体通道变得比较平直，通道中有细小的二次γ′相析出，γ′相的体积分数比标准热 处理后的稍有增加。1150 ℃保温处理后，合金中γ′相立方化程度增加，尺寸稍有增大，而且其尺寸大小均匀化程度最好；基体通道更加平直，通道中也有细小的二次γ′相析出。1200 ℃保温处理后，合金中γ′相立方化程度增大，其尺寸大小、均匀化程度均降低；基体通道明显变宽，通道中析出尺寸较大的二次γ′相。1250 ℃保温处理后，合金中γ′相尺寸明显增大，其尺寸大小非常不均匀，γ′/γ相界面为锯齿状；基体通道中也析出了细小的二次γ′相。1300 ℃保温处理后，合金中少部分为锯齿状界面的 γ′相，大部分为不规则、近似立方、尺寸较小的新析出 γ′相；基体通道中也析出了细小的二次γ′相。1320 ℃保温处理后，组织中全部为不规则、尺寸较小的新析出相 γ′相；基体通道中没有析出二次γ′相。

表2 不同温度热处理后DD6合金的组织特征Table 2 Microstructure characteristics of DD6 alloy after heat treatment at different temperatures

2.3 合金不同组织的定量分析

对图2中不同温度处理后合金的组织特征进行了详细的定量统计分析，并与图1标准热处理组织进行对比，结果见表2。从1100～1200 ℃，随着热处理温度的升高，基体通道变宽，对应于 γ′相的体积分数逐渐减小；在1200～1300 ℃，基体通道变窄，对应于γ′相的体积分数又逐渐增加。但相对于标准热处理后，不同温度处理后，γ′相的体积分数都出现不同程度的减小。合金中γ′相的形态在1100、1150、1200 ℃保温处理后影响不大，而在1250和1300 ℃保温处理后γ′相的形态变化较大。

3 讨论

3.1 相图计算和差热分析

DD6合金在不同温度下处理得到不同特征的组织，主要是因为在不同温度下处理后，γ′相长大、溶解或析出，造成组织特征不同。采用JMatPro计算软件和热分析法分别分析了合金的凝固特征。首先分析了γ′相的溶解温度。图3所示为利用JMatPro相图计算软件及相应的单晶高温合金数据库计算出的 DD6合金平衡相与温度的关系。

图2 经不同温度热处理后DD6合金的显微组织Fig. 2 Microstructures of DD6 alloy after heat-treatment at different temperatures: (a1), (a2), (a3) 1100℃; (b1), (b2), (b3) 1150 ℃;(c1), (c2), (c3) 1200℃; (d1), (d2), (d3) 1250 ℃; (e1), (e2), (e3) 1300℃; (f1), (f2), (f3) 1320 ℃

由图3看出，在1100～1320 ℃的温度区间内，合金主要由γ基体和γ′相及极少量的碳化物组成。由于DD6合金中C含量极少，因此，其含量随温度升高几乎不变化。而γ′相随着温度增加逐渐回溶到γ基体中，完全回溶温度接近1300 ℃。

图4所示为DD6合金升温的DSC曲线。由图4可看出，DD6合金在 895.6 ℃时 γ′相开始回溶，1270.1 ℃时有一个较小的吸热峰，这里对应大量γ′相的回溶温度，γ′相完全回溶温度为1307.8 ℃，合金的初熔温度为1325 ℃。

图3 DD6合金平衡相与温度的关系Fig. 3 Calculated content of precipitation phases with temperature for DD6 alloy

图4 DD6合金的DSC曲线Fig. 4 DSC curve of DD6 alloy

3.2 DD6合金组织演变

DD6合金标准热处理后，基体通道中没有析出二次 γ′相。本文作者所在课题组的前期研究表明，DD6合金在固溶和一次时效处理后，基体通道内也存在大量的二次γ' 相，但在870 ℃二次时效保温过程中，基体通道内的二次 γ′相得到完全溶解；并且在随后冷却过程中，基体中γ′相形成元素的过饱度较小，γ′相析出驱动力降低，基体通道内没有二次γ′相析出[13]。这与KAKEHI 在单晶高温合金热处理研究中的结果相同[14]。

DD6合金在1100、1150、1200和1250 ℃保温处理时，热处理温度低于 γ′相的大量回溶温度。在这样的温度保温过程中，两个过程同时进行，一方面为 γ′相长大过程，一方面为 γ′相的回溶过程。γ′相按照Ostwald方式长大，大的γ′相长大，小的γ′相溶解。γ′相的长大受合金元素扩散的控制，其长大规律遵循LSW粗化理论[15]：

式中：rt为沉淀粒子在时效t后的平均半径；r0为沉淀粒子在时效前的平均半径；K为与时效温度有关的系数；t为时效时间。根据Arrhenius公式[16]：

式中：D为扩散系数；D0为扩散常数；R为摩尔气体常数；Q为激活能；T为温度。

由式(2)可知，温度是影响合金元素扩散的主要因素，温度越高，扩散系数越大，合金元素的扩散速度越快，γ′相的长大速度越快。因而热处理温度越高，经过相同热处理时间，一次 γ′相的尺寸越大。由表 2看出，热处理温度在1100～1250 ℃时，一次γ′相的尺寸逐渐增加。

在保温过程中，部分 γ′相得到回溶，基体通道宽度增加。随后在空冷过程中，基体通道中重新析出细小的二次γ′相。从1100 ℃到1150 ℃再到1200 ℃时，随着热处理温度的升高，γ′相回溶量增加，基体通道变宽，二次γ′相尺寸也相应增加。但在1250 ℃较高温度的保温过程中，γ′相尺寸增加量较大，γ′相回溶量也较大，基体通道也较宽，在冷却过程中 γ′相的析出方式与较低温度处理时的有所不同。γ′相有两种析出方式：一种是依附于已时效析出的 γ′相上继续长大；由于这种长大方式具有异质形核的方式，因此这种析出长大方式比较容易进行。MIYAZAKI等[17]指出，考虑到 γ′相各向异性的弹性应变能以及界面能，此时由于γ′相局部存在较高的弹性应变能，再次析出的γ′相将沿(011)面析出使能量降低[17]。因此γ′相析出长大具有方向性，沿着(011)面析出长大较快，这就造成了γ′/γ相界面呈现除锯齿状的界面，如图 2(d1)～(d3)所示。另一种析出方式与1100 ℃、1150 ℃或1200 ℃较低温度下处理时的相同。由于 γ′相形成元素距原析出 γ′相的距离较远，来不及扩散到 γ′/γ相界面上，因而在基体通道中析出了细小的二次γ′相[18]。

当合金在1300 ℃热处理时，由于温度高于γ′相大量回溶温度而又低于 γ′相的完全回溶温度，因此，在保温过程中，绝大部分γ′相回溶，从图2(e1)中也可看出，只剩下少量部分 γ′相未回溶。在冷却过程重新析出大量的、细小不规则的 γ′相，只有很少的部分 γ′相依附于未完全回溶的原 γ′相重新析出，形成了锯齿状界面。在锯齿状界面之间基体通道中，距离未完全回溶的原γ′相较远处，析出了细小的二次γ′相。

DD6合金在1320 ℃热处理时，由于温度高于γ′相的完全回溶温度而小于合金的初熔温度，因此，在此温度保温过程中，γ′相完全回溶变成γ相，合金未形成初熔组织。在冷却过程中重新析出细小不规则的 γ′相。由于 γ′相全部回溶后又重新析出，没有机会形成细小的二次γ′相。

相计算表明，1300 ℃以上时，DD6 合金平衡状态的γ′相含量接近0；而在600 ℃以下时，DD6 合金平衡状态的 γ′相质量分数为 72%，在 1100、1150、1200、1250 ℃下合金平衡状态的γ′相质量分数分别为47%、37%、28%和15%。DD6 合金在1315 ℃完全固溶后直接冷却到室温，基体中 γ′相形成元素高度过饱和，促使 γ′相在冷却过程中大量析出。再经过二级时效处理，γ′相的体积分数为61%。不同温度处理后，γ′相的体积分数经历先增加后降低又增加的过程。合金在不同温度处理时，γ′相的长大、溶解又重新析出的相大小、形态和体积分数不同，一次 γ′相的体积分数变化要具体分析。合金在1100 ℃处理时，γ′相长大为主要因素，基体通道变小，一次 γ′相的体积分数增加。在1150和1200 ℃热处理时，γ′相溶解逐渐增多，冷却过程中基体通道中析出细小的 γ′相，基体通道变大，因此，一次γ′相的体积分数又逐渐降低。在1250、1300和1320 ℃热处理时，γ′相溶解进一步增多乃至全部回溶，冷却过程中析出的 γ′相也相对增加，因此，一次γ′相的体积分数又逐渐增加。

综上所述，合金在不同温度处理后得到明显不同特征的组织，表明使用温度对合金的组织有显著的影响，对合金性能产生的影响还需进一步的研究。

4 结论

1) DD6合金标准热处理后，γ′相立方化良好。在1100、1150、1200 ℃保温处理后，γ′相的尺寸稍有增加。1250 ℃保温处理后，γ′相尺寸明显增加，大小分布极不均匀，大部分γ′/γ相界面为锯齿状。在1300 ℃保温处理后，少部分未完全回溶的γ′相为锯齿状的γ′/γ相界面，大部分为 γ′相回溶后重新析出不规则、细小的γ′相。在1320 ℃保温处理后，γ′相全部回溶后重新析出不规则、细小的γ′相。

2) 在不同温度处理后，γ′相的体积分数经历先增加后降低又增加的过程。DD6合金在不同温度处理后，γ′相的长大、溶解或重新析出使其大小、形态和体积分数不同。在1100 ℃处理时，γ′相长大为主要因素，γ′相的体积分数增加。在1150 ℃、1200 ℃处理时，γ′相溶解逐渐增多，冷却析出细小的γ′相，基体通道变大，γ′相的体积分数逐渐降低。在 1250、1300、1320 ℃处理时，γ′相溶解继续增加乃至全部回溶，冷却析出的γ′相也相对增加，γ′相的体积分数又逐渐增加。与标准热处理后的合金相比，除1100 ℃处理后γ′相体积分数稍有增加外，其他温度处理后的都不同程度地减小。

3) DD6合金在标准热处理后和经过1320 ℃保温处理后，基体通道中没有二次γ′相，而在1100～1300 ℃处理后，基体通道中都析出了细小的二次γ′相。

4) DD6合金在不同温度处理后得到明显不同特征的组织，表明使用温度对合金组织具有显著的影响。

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