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C含量对一种单晶高温合金组织和持久性能的影响

2018-11-20史振学刘世忠赵金乾

有色金属材料与工程 2018年5期
关键词:共晶碳化物单晶

史振学, 刘世忠, 赵金乾

(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综合性能,己经发展了五代合金,为目前制造先进航空发动机涡轮工作叶片和导向叶片的关键材料[1-3]。在单晶高温合金的发展过程中,C等晶界强化元素经历了“完全保留”到“完全去除”,又到“限量使用”的3个阶段[4]。20世纪60年代中期,单晶高温合金在当时的定向高温合金MAR-M200,Mar-247的基础上形成,晶界强化元素完全保留,其综合性能相对于定向合金没有明显的优势。20世纪70年代中期,有研究发现,完全去除晶界强化元素后,合金初熔点显著提高,因此热处理时可大大提高固溶温度,明显增加了细小γ′相的体积分数,显著提高了合金的蠕变强度。20世纪90年代以来,研究发现,晶界强化元素因其不可替代的有益作用,而被限量加入。例如,合金中加入少量C可带来如下有益作用:减少合金中的氧化物夹杂,提高合金的纯净度,减少显微疏松[5],从而提高合金的力学性能[6-7];降低高熔点合金元素的枝晶偏析,减小枝晶液体对流驱动力,降低合金凝固过程中雀斑、杂晶等晶体缺陷的形成倾向[8-9];通过强化晶界来提高小角度晶界的容许角度[10-12],提高叶片合格率。虽然对C在镍基单晶高温合金中的作用机理进行了大量研究,但在不同合金体系中,其作用机理可能不同。本文研究了C含量对一种单晶高温合金组织和持久性能的影响,为促进合金的设计和应用提供依据。

1 试验材料及方法

试验用合金为Ni-Cr(4~6)-Co(7~10)-Mo(2~3)-W(5~7)-Ta(6~8)-Re(1~4)-(Nb+Al)(6~7)-Hf(0.05~0.2)-C(0.001~0.01)。在保持其他合金元素含量不变的情况下,分别加入质量分数为0.019%,0.048%,0.074%和0.094%的C,采用螺旋选晶法制备[001]取向的单晶试棒。用X射线衍射仪(XRD)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。所有试样在1 290 ℃/1 h+1 300 ℃/2 h+1 315 ℃/4 h, AC(AC表示空冷)+1 120 ℃/4 h, AC+870 ℃/32 h, AC工艺制度下进行标准热处理。加工成持久力学性能试样,测试980 ℃/250 MPa条件下不同C含量的合金的持久性能。用电子探针测量合金的枝晶干和枝晶间区域的化学成分,并计算出元素偏析比,用扫描电子显微镜(SEM)观察合金的显微组织。

2 结果与分析

2.1 C含量对合金组织的影响

图1为不同C含量试验合金的共晶组织和碳化物形貌。从图1中可以看出,在枝晶间区域分布着不规则的共晶组织和碳化物。随着合金中C含量的增加,共晶组织含量减少,尺寸减小;而碳化物含量增加,尺寸变大,其形态由块状向骨架状、发达骨架状转变。在单晶高温合金的定向凝固过程为非平衡凝固过程时,各个相析出顺序为:L→γ,L→γ+MC,L→(γ+γ′)共晶,γ→γ′,因此碳化物先于共晶组织形成。在相同凝固条件下,随着合金熔液中C含量的增加,形成碳化物的含量增加,消耗C等共晶形成元素的质量分数增加,形成共晶相的条件越不充分,最终合金液凝固结束时形成的共晶组织越少。

图1 不同C含量合金的共晶组织和碳化物形貌Fig.1 Morphologies of eutectic and carbide of the alloy with different C contents

C含量与共晶组织、碳化物含量的关系如图2所示。由图2可以看出,随着C含量的增加,共晶组织含量减少,碳化物含量增加,与图1的分析结果一致。

图2 C含量对合金γ/γ′共晶组织、碳化物含量的影响Fig.2 Effects of C content on volume fractions of γ/γ′ eutectic and carbide

在合金熔炼过程中,部分C与O发生反应,起到净化合金液的作用,C剩余部分进入合金液中。由于C原子半径较小,含量较少时主要固溶于面心立方晶体结构的γ相的八面体间隙内,不形成碳化物。C的固溶度较小,当C的加入量大于其固溶能力时,就会形成碳化物。初生的碳化物是在合金的凝固过程中形成的,一般以块状和骨架状两种形态存在。碳化物含量较少时,形成块状碳化物,碳化物含量较多时,为使体系具有较小的单位界面能和应变能,碳化物析出时与基体存在一定的取向关系,因此形成了骨架状的碳化物[13]。

单晶高温合金在凝固过程中,由于溶质再分配而导致合金元素枝晶偏析。图3为不同C含量合金的元素偏析系数。从图3中可以看出,γ相形成元素 Re,W,Co等偏析于枝晶干,而γ′相形成元素Al,Ta,Nb则偏析于枝晶间。随着C含量的增加,Ta的偏析减轻,Re,W,Mo,Nb的偏析加重。在合金凝固过程中,形成碳化物消耗了部分Ta等共晶组织形成元素,减少了共晶组织的体积分数,从而对合金的枝晶偏析产生了一定的影响。

由于合金体系和制备工艺的不同,目前C含量对合金元素枝晶偏析的影响有不同的研究结果。刘丽荣等[13]研究发现,随着C含量的增加,W和Al的枝晶偏析程度降低,而Ta和Mo的枝晶偏析程度增加,其他元素的偏析程度变化不明显。Tin等[14]认为C含量的增加减小了W,Re,Ta的枝晶偏析程度,减小了雀斑的形成倾向。Kong等[15]研究指出,合金中添加C增加了Re,W,Cr,Co的枝晶偏析程度。

图4为不同C含量的试验合金热处理后,组织中碳化物形貌的SEM照片。从图4中可以看出,合金热处理后,碳化物的尺寸和形态与铸态组织中的基本相同,无明显改变。因为碳化物的形成温度在液相线以上,所以在合金固溶处理过程中,当γ′相、共晶组织全部溶解时,大部分碳化物不溶解,仍保持原来的尺寸和形状。也有少部分碳化物通过扩散,固溶到γ相中,在冷却过程中重新析出,但碳化物类型更加丰富。铸态碳化物一般为MC,而热处理后,部分转变为

图3 不同C含量合金的元素偏析系数Fig.3 Elemental segregation ratios of the alloy with different C contents

图4 不同C含量的合金热处理组织中碳化物的SEM照片Fig.4 SEM images of carbide in the alloy with different C contents after heat treatment

2.2 C含量对试验合金持久性能的影响

图5 为C含量对试验合金在980 ℃/250 MPa条件下持久性能的影响曲线。每个持久性能数据为3个试样的平均值。从图5中可以看出,随着C含量的增加,合金的持久寿命先延长后缩短,当C的质量分数为0.048%时达到最大值,这与其他单晶合金的研究结果相同[6]。随着C含量的增加,持久伸长率先稍有降低后升高,然后再降低。

图5 C含量对合金在980 ℃/250 MPa条件下持久性能的影响Fig.5 Effect of C content on stress rupture properties of the alloy at 980 ℃/250 MPa

为了分析持久断裂试样的断裂组织形貌,对试样的纵向进行了解剖。图6为不同C含量试验合金持久断裂试样靠近断口2 cm处组织的SEM照片。从图6中可以看出,不同C含量试验合金持久试样中γ′相都形成了筏排组织,C含量对筏排组织的形貌无明显影响。γ′相筏排化形貌由外加应力方向及错配性质所决定[16]。试验用单晶合金具有负的晶格错配度,在拉伸应力下粗化,方向与应力方向垂直。γ′相的筏排化本质上是合金元素在γ相和γ′相中扩散和重新分布的过程[17]。在高温拉伸应力作用下,γ′相形成元素 Al,Ta,Hf,Nb 沿垂直应力方向扩散,促使γ′相沿这个方向长大;γ基体相形成元素Cr,Co,W,Mo,Re沿平行应力方向扩散,使基体通道沿这个方向的宽度增加。

图6 不同C含量合金持久断裂试样靠近断口2 cm处组织的SEM照片Fig.6 SEM images of the microstructures at 2 cm away from the fracture surface in the ruptured specimens with different C contents

图7 不同C含量合金持久断裂试样靠近断口表面组织的SEM照片Fig.7 SEM images of microstructures near the fracture surface in the ruptured specimens with different C contents

图7 为不同C含量试验合金持久断裂试样靠近断口表面组织的SEM照片。从图7中可以看出,显微裂纹在碳化物处形成和扩展。碳化物较脆,在高温塑性变形过程中,因应力集中而产生显微裂纹。同时碳化物的析出降低了周围基体中的固溶强化元素含量,使基体强度降低而容易产生裂纹。当合金中C含量较低时,C能够净化合金[6],强化小角度晶界[13-15],减轻枝晶偏析[10],因此能够提高合金的持久性能,当C的质量分数为0.048%时,试验合金的持久寿命达到最大值。随着合金中C含量的进一步增加,合金中的碳化物含量增加,产生显微裂纹带来的危害超过C带来的有益作用时,持久寿命缩短。同时,试验合金持久试样过早断裂,导致合金持久伸长率明显降低。

3 结 论

(1)随着C含量的增加,试验合金中共晶组织含量和尺寸减小,碳化物含量增加,其形貌由块状向骨架状、发达骨架状转变。随着C含量的增加,Ta偏析减轻,Re,W,Mo,Nb偏析加重。热处理后,碳化物的形貌无明显变化。

(2)随着C含量的增加,试验合金在980 ℃/250 MPa条件下的持久寿命先延长后缩短,C的质量分数为0.048%时,达到最大值。持久过程中,未溶碳化物作为裂纹源缩短了试验合金的持久寿命。

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