一种新型镍基单晶高温合金的制备与性能研究

梁 爽, 刘智鑫

(营口理工学院，辽宁 营口115014)



一种新型镍基单晶高温合金的制备与性能研究

梁 爽, 刘智鑫

(营口理工学院，辽宁 营口115014)

采用高温度梯度液态金属冷却定向凝固方法，制备了含Sr和Y的新型镍基单晶高温合金，并进行了显微组织、拉伸性能和持久性能的测试与分析。结果表明，该新型合金具有较佳的拉伸性能和持久性能。在300MPa应力条件下，该新型合金的650℃持久性能较商业DZ125高温合金提高28.1%、1100℃持久性能提高202.8%%。

镍基单晶高温合金，合金元素，高温度梯度液态金属冷却定向凝固，拉伸性能，持久性能

高温合金作为一种应用于航空、航天、石化、能源、船舰等领域的重要材料，一直备受业界关注，并成为一个国家材料发展水平的重要衡量指标之一。目前高温合金主要有镍基、铁基和钴基三类高温合金。与铁基和钴基高温合金相比，镍基高温合金的组织更稳定、高温强度更高，因此镍基高温合金的研究尤为活跃，在工业应用中也更为广泛[1-2]。据统计，镍基高温合金的使用量占到先进发动机总质量的50%以上[3]。随着航空发动机和工业燃气轮机技术的提高，现有的镍基高温合金难以满足其性能要求，迫切需要进一步探索和创造[4]。在高温合金的发展过程中，没有晶界的单晶高温合金因其较佳的综合性能，成为高温合金未来发展的重要方向[5]。但是，我国单晶高温合金的研究水平远落后于世界发达国家，迫切需要研制一种新型的镍基单晶高温合金。申健[6]对DD265镍基单晶合金进行了较深入的研究，该合金具有较佳的室温拉伸性能，但在850℃以上合金的高温拉伸性能急剧恶化。已有的研究表明，碱土金属Sr和稀土金属Y的添加有利于细化镁合金、铝合金等金属材料的内部晶粒，提高合金的高温力学性能和高温蠕变性能[7-8]。但在高温合金中复合添加合金元素Sr和Y还鲜有报道。为此，本文尝试在DD265镍基单晶高温合金中复合添加合金元素Sr和Y，采用高温度梯度液态金属冷却定向凝固方法，制备出一种新型的镍基单晶高温合金，并进行合金组织、拉伸性能、持久性能和蠕变性能的测试与分析，为镍基单晶高温合金的开发提供了一种新的思路。

1 试验材料与方法

1.1 试样材料

采用工业级原料Ni、Co、Cr、Mo、W、Sr、Al、Ti、Nb、C、B、Y，先后经过母合金制备和单晶试棒制备两个阶段，获得试验所需的新型镍基单晶高温合金。母合金的熔炼在VIM-50M型真空中频感应炉中进行，单晶试棒的制备采用高温度梯度液态金属冷却定向凝固方法，在LMCZGD-5型设备上进行，温度梯度达120K/cm。具体试验工艺流程，如图1所示。试验制备出的新型镍基单晶高温合金试样的化学成分，如表1所示。

1.2 试验方法

试验获得的新型镍基单晶高温合金试样，其显微组织采用PG18型金相显微镜和JSM6510型扫描电子显微镜进行观察，金相试样的腐蚀剂为 1vol.%氢氟酸+33vol.%冰醋酸+33vol.%硝酸+33vol.%去离子水。试样的拉伸试验在CMT4000型电子试验机上进行，试验温度分别为25℃和1100℃，拉伸速度为1mm/min；并用JSM6510型扫描电子显微镜观察拉伸断口，拉伸试样的尺寸形状如图2所示。持久性能在GWTA203-3型高温持久试验机上进行测试，测试温度为650～1100℃、应力为300MPa。

Fig.1 试样制备工艺 Fig.1 Process flow chart of the sample

WCoAlCrSrMoTiNbYCBNi10．8869．8976．1034．9121．4931．0340．9910．9870．3050．1030．004余量

Fig.2 拉伸试样的尺寸形状 Fig.2 Size and geometry of the tensile sample

2 试验结果及讨论

2.1 显微组织

试验制备获得的铸态新型镍基单晶高温合金试样，其显微组织金相照片和背散射扫描电镜照片如图3所示。从图3可以看出，采用高温度梯度液态金属冷却定向凝固方法获得的新型镍基单晶高温合金组织较为均匀、细小，无明显孔洞、气孔、夹杂等缺陷。合金中的枝晶以十字花型较为规则排列，枝晶间存在大量共晶和草书体碳化物；合金以单个晶体为单位，无明显晶界，表现出明显的单晶特征，这与报道的其它镍基单晶高温合金一致[6]。

2.2 拉伸性能

分别在25℃、1100℃条件下测试，试验制备的铸态新型镍基单晶高温合金，其应力应变曲线如图4所示。从图4可以看出，随着测试温度从25℃升高至1100℃，合金的抗拉强度和屈服强度有所下降，但下降幅度较小；合金的断后伸长率稍有增加。与25℃室温条件相比，合金在1100℃高温条件下的抗拉强度从1059MPa减小至1032MPa，仅减小了2.5%；屈服强度从886MPa减小至869MPa，仅减小了1.9%；断后伸长率从28.6%增加至29.9%。由此我们可以认为，本实验制备的新型镍基单晶高温合金不仅具有较佳的室温拉伸性能，而且具有优良的高温拉伸性能。申健的研究表明，与室温测试条件相比，DD265镍基单晶高温合金在850℃后屈服强度与抗拉强度急剧下降，合金的高温拉伸性能不够理想[6]。但是，从试验我们可以看出，在DD265镍基单晶高温合金中复合添加合金元素Sr和Y，使该合金在具有良好室温拉伸性能的前提下，显著改善了合金的高温拉伸性能。这主要是因为Sr和Y的复合添加，一方面使铸态合金组织得到细化，起到细晶强化作用；另一方面，组织中形成具有较高熔点的化合物相，这些具有高热稳定性的化合物相弥散分布在合金中，在高温下钉扎晶界，阻碍晶界滑移，从而提高合金的高温拉伸性能。

(1) 金相照片 (2)背散射扫描电镜照片图3 试样显微组织 Fig.3 Microstructure of the sample

图4 试样应力应变曲线 Fig.4 Stress-strain curves of the samples

图5是该新型镍基单晶高温合金分别在25℃、1100℃条件下的拉伸断口扫描电镜照片。从图5可以看出，25℃测试条件下，合金拉伸断口由较多的等轴韧窝和撕裂棱组成，表现出较为明显的塑性断裂特征。与25℃相比，合金在1100℃测试条件下的拉伸断口呈现出更多、更细小的等轴韧窝，撕裂棱变少，表现出更好的塑性断裂特征，这与试样的拉伸测试结果一致。

2.3 持久性能

试验制备的铸态新型镍基单晶高温合金和铸态商业DZ125高温合金，在650～1100℃温度、300MPa应力条件下的持久性能测试结果，如图6所示。从图6可以看出，与商业DZ125高温合金相比，该新型镍基单晶高温合金在高温环境下的持久性能得到明显提高；其中，650℃持久性能从92h提高至128h，提高了28.1%；1100℃持久性能从36h提高至109h，提高了202.8%%。因此，我们可以认为，本实验制备的新型镍基单晶高温合金具有较佳的持久性能、较大的工程应用价值。

(1) 25℃ (2)1100℃ 图5 试样在不同测试温度下的拉伸断口扫描电镜照片Fig.5 SEM images of the fracture surface of tensile sample at different test temperature

图6 试样持久性能测试结果 Fig. 6 Durability testing results of the samples

2.4 讨论与分析

从上述实验结果我们可以看出，本实验采用合金化和高温度梯度液态金属冷却定向凝固方法，制备出的铸态新型镍基单晶高温合金具有较佳的拉伸性能和持久性能。这主要是因为，一方面，合金元素的复合添加，显著改善了该新型镍基单晶高温合金的性能；合金元素W主要起到固溶强化作用，Co主要起到提高组织稳定性和蠕变强度作用，Al主要起到提高抗氧化性能作用，Cr主要起到提高抗腐蚀性能和高温持久性能作用，Sr主要起到改善高温持久蠕变性能，Mo主要起到提高蠕变性能作用，Ti主要起到提高抗氧化性能作用，Nb主要起到提高蠕变强度作用，Y主要起到减少单晶铸件晶粒缺陷、提高力学性能和热疲劳性能作用，C主要起到净化合金溶液、提高耐腐蚀性能，B主要起到强化小角度晶界的作用[9]。合金元素配比的合理设计，充分发挥了各个合金元素的积极作用，从而获得综合性能优异的新型镍基单晶高温合金。与DD265镍基单晶合金相比，复合添加合金元素Sr和Y的该新型镍基单晶合金，通过有效的细晶强化和析出强化，显著改善了合金的高温拉伸性能和高温持久性能。另一方面，高温度梯度液态金属冷却定向凝固方法的采用，有效增加了热量的传递效率、提高了温度梯度和拉伸速率，从而有利于获得均匀、细小、缺陷少的铸态组织，从而显著提高新型镍基单晶高温合金的室温和高温拉伸性能、持久性能等。

3 结论

采用合金化和高温度梯度液态金属冷却定向凝固方法，制备了含Sr和Y的铸态新型镍基单晶高温合金，并进行了显微组织、拉伸性能和持久性能的测试与分析，得到如下主要结论：

1)采用高温度梯度液态金属冷却定向凝固法制备的新型镍基单晶高温合金，组织较为均匀、细小，无明显的孔洞、气孔、夹杂等缺陷，合金中的枝晶以十字花型较为规则的排列，枝晶件存在大量的共晶和草书体碳化物；

2)铸态新型镍基单晶高温合金在25～1100℃范围内具有较佳的拉伸性能，与25℃相比，1100℃抗拉强度从1059MPa减小至1032MPa，仅减小了2.5%；屈服强度从886MPa减小至869MPa，仅减小了1.9%；

3)铸态新型镍基单晶高温合金具有较佳的持久性能，与商业DZ125高温合金相比，该新型合金在300MPa应力条件下的650℃持久性能从92h提高至128h，提高了28.1%；1100℃持久性能从36h提高至109h，提高了202.8%。

[1] 田齐,赵志龙,艾昌辉,等. 镍铁基高温合金熔敷Co3FeNb2金属间化合物熔合区组织结构分析[J]. 焊接学报,2014,32(4):99-102,118.

[2] 边永超. 国内镍加工材现状分析[J]. 有色金属加工,2014,43(5):10-12.

[3] 徐玲,储昭贶,崔传勇,谷月峰,孙晓峰. 一种镍钴基变形高温合金蠕变变形机制的研究[J]. 金属学报,2013,24(7):863-870.

[4] 李小峰,熊惟皓,李俊,等. 镍包覆处理对氧化物弥散强化镍基高温合金组织与性能的影响[J]. 机械工程材料,2012,45(9):34-37,68.

[5] 孔涛,熊惟皓,张志力,等. 镍包覆Y2O3颗粒弥散强化镍基高温合金的抗热腐蚀性能[J]. 机械工程材料,2013,39(11):43-48,54.

[6] 申健. 一种镍基单晶高温合金的组织与性能[D]. 沈阳工业大学,2013.

[7] 杨明波，潘复生，李忠盛，等．Sr 和Y 对Mg-3Al-1Zn 镁合金组织细化的影响[J]．铸造，2009，58(5)：476-481．

[8] 马宏,彭晓东,周伟. Sr、Y复合添加AZ31镁合金高温力学性能的研究[J]. 热加工工艺,2010,39(24):28-32.

[9] 崔传勇. Ru含量对镍钴基高温合金微观组织和力学性能的影响[A]. 中国材料研究学会.2011中国材料研讨会论文摘要集[C].中国材料研究学会,2011:1.

Study of Preparation and Properties of a New Nickel-Based Single-Crystal Superalloy

LIANG Shuang, LIU Zhixin

(Yingkou Institute of Technology, Yingkou 115014, China)

The paper described the preparation of a new nickel-based single-crystal superalloy containing elements Sr and Y by the process of high temperature gradient liquid metal cooling directional solidification, and it presented test results and analysis of the alloy on microstructure, tensile properties and durability. The results showed that the new alloy was improved in tensile properties and durability. Comparing with commercial DZ125 superalloy, the new alloy increased the durability by 28.1% and 202.8% at the temperature of 650℃ and 1100℃, respectively.

nickel-based single-crystal superalloy; alloying element; high temperature gradient liquid metal cooling directional solidification; tensile properties; durability

2015-05-18

梁爽(1983- )，女，在职博士。

TG132.3+3

A

1671-6795(2015)06-0013-04