Ru对DD22镍基单晶高温合金组织和持久性能的影响

2016-09-07骆宇时赵云松唐定中

航空材料学报 2016年3期

关键词：铸态偏析持久性

骆宇时，赵云松,2，杨　帅，张　剑，唐定中

(1.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； 2.北京科技大学新金属材料国家重点实验室，北京 100083)

Ru对DD22镍基单晶高温合金组织和持久性能的影响

骆宇时1，赵云松1,2，杨帅1，张剑1，唐定中1

(1.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； 2.北京科技大学新金属材料国家重点实验室，北京 100083)

通过对两种不同Ru含量(0%和2%，质量分数)的新一代镍基单晶高温合金DD22铸态及热处理态组织定量表征与1100～1150 ℃持久性能测试，研究了Ru对相转变温度、(γ+γ′)共晶组织、凝固偏析、合金元素相成分、合金元素分配比及持久性能的影响。结果表明：Ru降低了合金的固液相线、铸态共晶组织体积分数以及凝固偏析程度。合金热处理后，与无Ru合金相比，含Ru合金γ′尺寸更为细小，γ/γ′两相中对TCP相析出有重要影响的Re和Cr元素分配更加均匀。Ru通过降低γ′相尺寸，增加γ/γ′错配度，提高固溶强化效果，抑制持久加载过程中TCP相析出，显著提高DD22合金持久性能。

单晶高温合金; Ru; 显微组织; 持久性能; TCP相

单晶高温合金因其优异的高温性能而被用于航空发动机高压涡轮转子叶片和导向叶片等关键热端部件中[1]。随着发动机推力和效率的不断提高，涡轮进口温度也不断升高，需要性能更好的叶片材料。发达国家都争相研制承温能力更高的单晶高温合金，已将合金中含Re量从0%(质量分数，下同)增加到6%；但Re是强TCP相形成元素，在长时使用过程中易于析出TCP相，损伤合金的高温持久性能，这对长寿命发动机是一个重要制约因素，同时Re的密度和成本也非常高。早在20世纪90 年代，人们就发现Ru的添加能完美地弥补含Re合金组织稳定性不足的缺陷[2]。随后，以含Ru为特征的高温高性能第四代镍基单晶高温合金成为国际上的研究热点，但主要的研究工作都是在近十年内展开的，尤其对于Ru在镍基单晶合金中的作用机制研究得还很不充分，许多观点仍存在争议。

不同的研究者发现，在不同的合金体系中，Ru在合金液相线温度、凝固偏析、TCP相析出和高温蠕变性能等方面的作用机理存在较大差异。Feng等[3]研究了一系列含Ru的镍基单晶合金的凝固行为后发现，随着Ru含量的增加，铸态组织中共晶的百分数显著降低，液相线温度提高。Liu等[4]研究了Ru对一种镍基单晶合金凝固特点和铸态组织的影响后发现，Ru对液相线和固相线温度几乎没有影响，添加Ru促进了Al和Ta向枝晶间偏析，并且枝晶间共晶百分数随着Ru的添加而增加。在Ru影响合金组织稳定性的机制方面，O′Hara等[5]最早提出Ru能引起“合金元素的逆分配”，即Ru的加入促进Re，Cr和W等元素分配到γ′相，Al和Ti等元素分配到γ相。合金元素的逆分配行为会使合金元素在γ和γ′相中的分布趋于均匀，降低了γ相中Re，W和Cr等TCP相形成元素的过饱和程度，从而抑制了TCP相的析出。然而，随后的许多研究表明，Ru的加入对合金元素成分分配比的影响不大。Reed等[6]利用APT技术研究表明：Ru的添加并未明显改变合金元素在γ和γ′两相中的分配行为。陈晶阳等[7]发现Ru的添加使Re在γ/γ′中的分配比略有增加，而对其他合金元素的分配比没有显著影响，Ru的加入未产生“合金元素逆分配”。Ru对蠕变性能的影响一直是人们关注的焦点，同时也是发展第四代、第五代镍基单晶高温合金的重要理论基础。Yeh等[8]认为Ru的加入主要是通过抑制TCP相的析出而提高合金在该高温低应力条件下的蠕变性能。然而，Zhang等[9-12]在合金TMS75+Mo的基础上加入2.0%的Ru后，错配度变大，位错间距减小，位错网络变细，从而阻碍滑移位错切割γ/γ′筏排组织，降低了最小蠕变速率，最终提高合金的蠕变寿命。

因此，关于Ru的作用，即影响固液相线、增强高温蠕变强度和提高合金组织稳定性方面，仍存在许多尚待深入研究的问题；而且由于高温合金的多组元带来的复杂性，Ru的加入必然对合金的凝固、热处理等工艺性能和蠕变性能等产生显著影响。由于Ru也属于稀贵的战略元素，充分认识Ru的作用机制，最大限度地发挥其有利作用，不仅具有重要的科学价值，对节约Ru的用量进而降低合金的成本也具有显著的经济意义。

目前，国内对于第四代镍基单晶高温合金的研究还处于探索阶段，从经济性的角度考虑，应该优先发展低Ru的合金，摸索出国外添加含量最少的2%Ru对组织和性能的影响，为发展高Ru合金奠定一定的实验和理论基础。DD22合金是北京航空材料研究院研制的一种含5%Re的新型镍基单晶高温合金。为明确DD22单晶高温合金中Ru的成分范围，本工作系统研究并探讨了2%Ru对DD22单晶合金铸态和热处理态组织、高温持久性能和变形组织的影响。

1　实验材料及方法

为了研究Ru对镍基单晶高温合金组织和持久性能的影响，实验选用DD22合金为基础合金，其名义成分(质量分数/%)为Al 6.0，Cr 4.0，Ta 7.0，W 7.0，Co 9.0，Mo 1.5，Re 5.0，Nb 0.5，Hf 0.2，C 0.006，Ni余量。向其中添加2%的Ru形成另外一种合金。两种合金分别命名为0Ru和2Ru。

在HRS定向凝固炉中，用螺旋选晶法制备具有[001]取向的直径为15 mm，长为150 mm 的单晶试棒，定向凝固时抽拉速率为3 mm/min。采用背散射Laue法确定单晶取向，选择生长方向与[001]方向偏离小于10°的试棒为实验材料。在NETZSCH STA449C型差热分析仪(DSC)上，以10 ℃/min的速率从1000 ℃升温至1450 ℃，测定两种合金的固相线和液相线，固相线为吸热峰切线与基线的交点温度，液相线为吸热峰的峰值温度。根据消除共晶，减少枝晶偏析，避免初熔的原则，优化了热处理制度。两种合金完全热处理制度为1345 ℃固溶4 h(空冷)+1120 ℃一次时效4 h(空冷)+870 ℃二次时效32 h(空冷)。4种合金的高温持久实验选在1100 ℃/140 MPa，1120 ℃/140 MPa，1130 ℃/140 MPa和1150 ℃/100 MPa 4种条件下进行，实验样品为标距直径5 mm，标距长度25 mm，总长度66 mm的标准试样，其持久寿命由3根试样测试的平均值确定。金相样品的侵蚀液为1%(体积分数，下同)HF+33%HNO3+33%CH3COOH+33%H2O溶液。分别使用光学显微镜(OM)和SUPRA 55型场发射扫描电镜(FE-SEM)的二次电子模式(SE)及背散射模式(BSE)进行低倍和高倍组织形貌观察。本工作采用点分析法[5]测量γ′相体积分数，并采用Image-Pro软件测量γ′相尺寸。相同的样品采用3～5张照片进行统计。采用JEOL JXA-8800R型电子探针(EPMA)对铸态合金的元素凝固偏析系数Si进行测量。

元素凝固偏析系数Si可表述为：

(1)

利用电化学电解萃取的方法溶解基体γ相，保留和提取γ′相的萃取残留粉末，进而通过对电解萃取后的粉末和剩余溶液进行化学分析，分别获得γ′相和γ相的成分。通过式(2)可计算合金元素在γ和γ′相中的成分分配比。合金元素i在γ/γ′两相的成分分配比ki可表述为：

ki=Ciγ/Ciγ′

(2)

式中，Ciγ和Ciγ′分别表示合金元素i在γ相和γ′相中的原子分数。当ki>1时，元素i富集于γ相；当ki<1时，元素i富集于γ′相。

2　结果与分析

2.1铸态合金的显微组织和凝固偏析

图1为两种铸态合金的OM像。由图1可见，两种合金组织均呈现典型的枝晶形貌；一次枝晶间距分别为243 μm和256 μm。合金枝晶间的白亮衬度区域均为(γ+γ′)共晶组织。随着Ru含量提高，铸态共晶体积分数降低，分别为14.6%和8.3%。图2(a)给出了铸态2Ru合金枝晶干高倍组织，γ′相平均尺寸约为0.5 μm。两种铸态合金γ′相尺寸无显著差异。图2(b)为铸态2Ru合金的BSE-SEM像，清晰地显示了铸态共晶、碳化物相的分布位置和形貌。经SEM-EDS分析表明，两种合金白色衬度相均为富集Hf和Ta的MC型碳化物。两种合金中碳化物主要分布在枝晶间共晶边缘，呈现不规则的块状及长条状，碳化物尺寸均在5～15 μm之间，无显著差别。经统计，两种合金碳化物的含量均较低，体积分数分别约为0.13%和0.15%。

图1　铸态合金0Ru (a)和2Ru (b)的OM像Fig.1　OM images of the as-cast alloys 0Ru (a) and 2Ru (b)

图2　铸态合金2Ru枝晶干(a)和共晶区域(b)组织的SEM图Fig.2　SEM microstructures of dendrite core (a) and eutectic region (b) of the as-cast alloys 2Ru

图3　铸态合金中各元素的凝固偏析系数Fig.3　Solidification segregation coefficients of alloying elements in the as-cast alloys

图3为采用EPMA定量分析的两种镍基单晶合金中各元素的凝固偏析系数Si。该图表明，难熔元素Re, W和Mo在枝晶干区含量较高；Al和Ta在枝晶间区含量较高；Ru在枝晶干和枝晶间的分布比较均匀，但略偏析于枝晶干。随着Ru的加入，Re，W和Ta凝固偏析程度显著降低，Al偏析程度无明显变化。在基础合金DD22中添加质量分数为2%的Ru后，Re元素的凝固偏析系数从2.5降低到2.1，Ta元素的凝固偏析系数从0.6变为0.8。

2.2铸态合金的相变温度

图4为合金0Ru和2Ru的DSC升温曲线，显示固液相线吸热峰均在1350～1410 ℃之间。由图可见，随Ru的加入，合金液相线由1406 ℃降低到1401 ℃；固相线由1366 ℃降低至1361 ℃。通过金相法测试两种合金的初熔点分别为1365 ℃和1363 ℃。可见，Ru对合金的初熔点影响不显著。

图4　铸态合金的DSC升温曲线Fig.4　DSC heating curves of as-cast alloys

2.3Ru对热处理后组织的影响

图5为经完全热处理后合金0Ru和2Ru的OM像。完全热处理后的残余共晶体积分数相对铸态共晶组织显著减少。两种经完全热处理后，只留下极少量的残余共晶和碳化物，体积分数均低于0.5%。

经过完全热处理(固溶处理+二级时效处理)后的两种合金枝晶干处γ/γ′相尺寸却存在显著差别。图6(a)，(b)分别为合金0Ru和2Ru完全热处理后枝晶干处的典型显微组织。表1为两种合金完全热处理后各合金枝晶干处的γ′相尺寸、体积分数以及γ通道的尺寸测量结果。图6和表1表明，添加Ru显著降低了枝晶干γ′相的尺寸，但对γ′相体积分数以及γ通道的尺寸却没有显著影响。

图5　合金0Ru(a)和2Ru(b)完全热处理后的OM像Fig.5　OM images of alloys 0Ru(a) and 2Ru(b) after fully heat treatment

图6　合金0Ru(a)和2Ru(b)完全热处理后的典型组织SEM图Fig.6　SEM images of typical microstructures of alloys 0Ru (a) and 2Ru (b) after fully heat treatment

AlloySizeofγ'phase/nmVolumefractionofγ'phase/%Channelwidthofγphase/nm0Ru394±6265.3±5.172±382Ru295±5964.3±4.765±41

2.4合金元素在γ和γ′相的成分分配及点阵错配度

表2给出了两种合金使用电化学相分析方法测得的γ和γ′相成分以及各元素的γ/γ′两相成分分配比。由表2可以看出，和大部分单晶合金相类似，γ相富集Cr, Mo, Re, Ru和Co元素，γ′相中富集Al和Ta元素。值得注意的是，W元素通常被认为是富集于γ相的元素，而在本研究的单晶合金体系中的成分分配比在1左右，这可能跟合金中Re和Ru的添加量有关[13]。

为便于比较Ru元素的添加对其他合金元素在γ/γ′两相中的成分分配行为产生的影响，将表2成分分配比的结果总结到图7中。结果表明，Ru的加入，对Co，Mo，Ni和W的成分分配比没有明显影响，但对Re和Cr的成分分配行为产生了较大的影响，其中Re的成分分配比变化最为显著。合金0Ru中Re和Cr的成分分配比分别为19.74和6.23，而合金2Ru中Re和Cr的成分分配比分别降低到16.14和5.57，说明Ru加入合金中，促使Re和Cr在γ/γ′两相中分配更加均匀。同时，0Ru合金中Al和Ta的成分分配比为0.36和0.38，而2Ru合金中Al和Ta的成分分配比为0.46和0.44，变化率分别为28%和16%，说明Ru对Al和Ta的成分分配比也有显著影响，并且Al和Ta在γ/γ′两相中分配更加均匀。

表2　合金的γ和γ′相成分(原子分数/%)及各元素的γ/γ′两相成分分配比(ki)

图7　合金中各元素在γ/γ′两相中的成分分配比(ki)Fig.7　Elemental partitioning ratio (ki) in γ/γ′ phase of alloys

镍基单晶高温合金中γ′相与γ相基体保持共格关系，二者晶格常数存在微小差异，其差异用错配度来表示：

(3)

式中，aγ和aγ′分别为γ相和γ′相的点阵常数。

本工作采用Kablov和Petrushin[14]提出的γ相和γ′相点阵常数计算公式(4)和(5)电化学相萃取测定的γ和γ′相成分(表2)分别得到γ和γ′相的点阵常数aγ′和aγ。

aγ=0.35219+0.000221Al+0.000122Cr+

0.000412Mo+0.000435W+0.000693Ta+

0.000059Co+0.000595Nb+0.000302Ti+

0.000142V+0.000382Re+0.000303Ru+

0.001559Hf (nm)

(4)

aγ′=0.35691+0.000014Cr+0.000097Mo+

0.000151W+0.000398Ta-0.000002Co+

0.000275Nb+0.000149Ti-0.000189V-

0.000504Re+0.000083Ru (nm)

(5)

随后，代入公式(3)计算得到点阵错配度，结果见表3可以看出，随着Ru的加入，合金错配度的绝对值变得更大。

表3　γ和γ′两相点阵常数及晶格错配度的估算结果

2.5持久寿命与持久断口

图8是完全热处理后两种合金高温低应力持久寿命。在1100 ℃/140 MPa，1120 ℃/140 MPa, 1130 ℃/140 MPa和1150 ℃/100 MPa条件下，2Ru合金的平均持久寿命分别为0Ru合金的1.2，1.3，1.4和2.6倍，充分说明Ru显著提高了合金的持久寿命，并且温度越高，Ru提高持久强度的效果越显著。

图8　合金高温低应力持久寿命Fig.8　Stress rupture lives of high temperature and low stress of alloys

两种合金在4种条件下的持久断裂特征类似，断口形貌也类似。图9给出了两种合金在1120 ℃/140 MPa条件下持久断裂之后的断口形貌。从断口全貌可以看出，合金的断裂面基本垂直于应力轴方向。两种合金持久断口处均可见大量微孔，部分微孔深处可见微裂纹。从断口组织对比可见，与0Ru合金相比，2Ru合金断口中形成的微孔数量更多，且微孔分布更为均匀。

图9　合金0Ru (a)和2Ru (b)在1120 ℃/140 MPa持久后的断口SEM照片Fig.9　SEM images of fracture morphologies of 0Ru (a) and 2Ru (b) alloys after rupture test at 1120 ℃/140 MPa

图10为合金0Ru和2Ru经1120 ℃/140 MPa持久断裂后的近断口处纵剖面组织。可见，断口均存在大量裂纹，微裂纹以一定的间距分布，间距约为一次枝晶间距，可确定裂纹均在枝晶间产生，裂纹扩展方向均垂直于加载方向。2Ru合金的微裂纹与0Ru合金的微裂纹尺寸接近，但数量较多，这与从样品断口表面所观察到的结果相对应(图9)。相比2Ru合金，0Ru合金断口纵剖面存在较多的白色衬度相。经SEM-EDS分析，白色衬度相为富Re和W的TCP相。经统计，合金0Ru持久断口纵剖面约60%的裂纹均在TCP相处萌生。对比图10(a)和10(b)，充分说明，Ru抑制了持久加载过程中的TCP相析出，减少了裂纹源。

图10　合金0Ru (a)和2Ru (b)的1120 ℃/140 MPa持久断裂后的近断口处纵剖面背散射照片Fig.10　BSE-SEM images of longitudinal sections of stress ruptured fracture of alloys 0Ru (a) and 2Ru (b) under 1120 ℃/ 140 MPa

3　分析讨论

3.1Ru对合金组织的影响

镍基单晶高温合金凝固时，首先由液相析出单相γ固溶体，并以枝晶状生长，Re和W等高熔点元素向枝晶干富集。同时，Al和Ta等元素向枝晶间液相富集。随着枝晶间液相凝固，少量剩余液相中的溶质浓度达到共晶点，于是生成(γ+γ′)共晶。铸态共晶的含量可以反映凝固偏析的程度。本研究中，随着Ru含量的提高，难熔元素凝固偏析系数显著降低(图3)，导致凝固初期Re和W等元素在枝晶干偏析程度降低，而在凝固后期，共晶形成元素Ta在枝晶间偏析程度也显著降低，进而使铸态共晶含量由14.6%逐渐降低到8.3%。

两种铸态合金中γ′相尺寸无显著差异。而热处理后2Ru合金的γ′相尺寸却显著小于0Ru合金。镍基单晶高温合金中γ′相在热处理过程中的长大过程是受扩散控制的。前人的研究表明[15]，γ′相中难熔元素含量越高，γ′相长大的速率越低。表2测量的合金元素在γ/γ′两相中的成分表明，相对于0Ru合金，2Ru合金γ′相中Re含量较高。同时，加入合金中的Ru约30%进入γ′相中。Re和Ru均具有较低扩散系数[15-16]，能够降低γ′相的长大速率，抑制γ′相的长大。

3.2Ru对合金持久性能的影响

大量的研究[6,17-20]表明，镍基单晶高温合金高温低应力的持久蠕变性能主要与γ′相尺寸与体积分数、γ通道宽度、γ/γ′错配度、固溶强化效果和TCP相的析出等有关。本研究结果表明，Ru对γ′相体积分数、γ通道宽度无显著影响(表1)，但对γ′相尺寸、γ/γ′错配度、固溶强化效果和TCP相的析出却有显著影响。

3.2.1γ′相尺寸

γ′相是镍基单晶合金最主要的强化相，其数量、形态、尺寸和分布对合金的高温力学性能有着显著的影响。研究表明，合金获得最佳蠕变性能时的γ′相最佳尺寸随γ/γ′两相错配度的不同而变化[19,21]。图11是Neumeier等[17]基于含Re和Ru元素的单晶高温合金数据绘制的。结果表明，对于含Re不含Ru的单晶合金来讲，γ′相尺寸在0.52 μm左右的合金可在1100℃/137MPa下获得最优的蠕变性能。对于同时含有Re和Ru的单晶合金，γ′相尺寸在0.32 μm左右的合金获得最优的蠕变性能。

本研究中的合金0Ru经完全热处理后，γ′相尺寸为394 nm，不处于图11中的最佳γ′相尺寸区域范围内，蠕变速率较高；而合金2Ru的γ′相尺寸为394 nm，处于图11中的最佳γ′相尺寸区域范围内，蠕变速率较低。因此，Ru的加入，显著降低γ′相尺寸，降低了高温低应力蠕变速率，提高了蠕变性能。

图11　含Re和Ru元素的单晶高温合金蠕变性能和γ′相初始尺寸的关系[17]Fig.11　Relationships between creep properties and the initial size of γ′ in single crystal superalloys containing Re and Ru[17]

3.2.2γ/γ′点阵错配度与固溶强化效果

在镍基单晶合金稳态蠕变期间，位错在γ相基体通道内运动，并在进行长程交滑移的过程中相遇并发生位错反应，在γ/γ′两相界面之间形成复杂的三维位错网。Carroll等[13]和Zhang等[16]研究表明，镍基单晶高温合金在高温低应力下的最小蠕变速率和蠕变性能与位错网密度以及合金的错配度密切相关。大的错配度促进筏排化和细密位错网的形成，从而使位错难于切割筏排组织，降低最小蠕变速率，从而提高合金的蠕变寿命。陈晶阳等[7]同样认为，Ru增加合金中γ/γ′点阵错配度，促进筏排组织的形成，提高合金高温低应力持久性能。本研究中，随着Ru的加入，错配度变得更负(表3)，这是Ru提高DD22合金高温低应力持久性能的重要原因。

Re和Ru均是镍基单晶高温合金中有效的固溶强化元素，其中Re对蠕变持久性能的影响最大[2,22-24]。Re强烈偏析于γ相中，Re在Ni中扩散系数是所有金属中最低的，同时降低基体的堆垛层错能，能获得比传统的固溶方式更好的强化效果，进而显著提高含Re合金的蠕变性能[2,20-22]。Ru在Ni中互扩散系数仅次于Re(Re

3.2.3TCP相

TCP相作为脆硬相在蠕变变形过程中容易产生位错塞积，引起应力集中并导致其与基体界面的开裂，成为裂纹源，从而加速合金的蠕变断裂。同时，TCP相中断了合金中γ′相的筏排化组织，并且其析出消耗了大量的固溶强化元素，弱化基体的固溶强化效果[25]。因此，TCP相的析出往往造成蠕变性能的下降。TCP相的析出主要由γ相中Re, W和Cr等TCP相形成元素的过饱和程度决定[7]。

本研究中，Ru的加入，对Co，Mo，Ni和W的成分分配比没有明显影响，但却降低了Re和Cr的成分分配比，降低了γ相中Re和Cr等TCP相形成元素的浓度，从而抑制TCP相的析出。本研究结果验证了O′Hara等[5]发现的“合金元素的逆分配”效应。同时，TCP相的减少，也减少了合金在高温持久过程的裂纹源，使合金在高温加载过程中γ′相的筏排化组织保持完整，有利于提高合金高温持久性能。

4　结论

(1)Ru的加入降低铸态组织中(γ+γ′)共晶含量以及难熔合金元素凝固偏析系数，降低合金的固液相线温度，但对合金的初熔点影响不显著。

(2)Ru的加入对合金热处理后的γ′相体积分数及γ相通道宽度无显著影响，但显著降低了γ′相尺寸。同时，Ru的加入使γ/γ′两相中对TCP相析出有重要影响的Re和Cr元素分配更加均匀。

(3)Ru的加入减小γ′相尺寸，增加γ/γ′点阵错配度，提高固溶强化效果，抑制持久加载中TCP相的析出，显著提高DD22合金高温低应力条件下的持久性能。

(4)随持久加载实验温度的升高，Ru对持久性能提高的作用越为显著，尤其是在1150 ℃/100 MPa条件下，含2%Ru合金的持久寿命可达到无Ru合金的2.6倍。

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(责任编辑：齐书涵)

更正

对2016第2期“基于晶体塑性理论的疲劳短裂纹起始数值模拟”一文的更正

文章信息：

作者：刘俊卿，李蒙，左帆，刘红，曹书文

原图：第78页图6和图7

图6　0.6%应变荷载作用下模拟结果与实验数据对比Fig.6　Comparison of simulation results and experimental data under 0.6% strain load

图7　0.76%应变荷载作用下模拟结果与实验数据对比Fig.7　 Comparison of simulation results and experimental data under 0.76% strain load

更正为：

Effects of Ru on Microstructure and Stress Ruputure Property of Ni-based Single Crystal Superalloy DD22

LUO Yushi1，ZHAO Yunsong1,2，YANG Shuai1，ZHANG Jian1，TANG Dingzhong1

(1.Science and Technology on Advanced High Temperature Structural Materials Laboratory, Beijing Institute of Aeronautical Materials, Beijing 100095, China； 2.State Key Laboratory for Advanced Metals and Materials, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083,China)

The effects of Ru on the as-cast, heat-treated microstructures and stress rupture properties under 1100-1150 ℃ were investigated in new generation Ni-based single crystal superalloys DD22 with two levels of Ru (0% and 2%, mass fraction) additions. The results indicate that the addition of Ru results in the decrease of the solidus and liquidus temperatures, the volume fraction of (γ+γ′) eutectic as well as solidification segregation. The size of γ′ phase and elemental partitioning ratio of Re and Cr which are important for the precipitation of TCP phase decreases after heat treatment with Ru addition. Ru addition decreases the size of γ′ phase, increases γ/γ′ misfit and solution strengthening effect and inhibits the precipitation of TCP phase in the process of stress rupture loading, which finally improve the stress rupture properties of DD22 alloy significantly.

single crystal superalloy; Ru; micrstructure; stress rupture property; TCP phase