Co含量对DD15单晶高温合金组织和持久性能的影响

史振学,刘世忠,岳晓岱,王志成,李嘉荣

（中国航发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综合性能，是目前制造先进航空发动机涡轮叶片的关键材料[1-3]。为提高航空发动机的性能，就要提高涡轮叶片的工作温度。单晶高温合金的承温能力依赖于合金中Ni、Cr、Co、Mo、W、Ta、Al、Re、Ru等元素的合金化作用。Co是单晶高温合金中重要的合金元素。Co主要固溶于γ基体中，少量进入γ′相，降低基体的堆垛层错能，增加C的固溶度，减少次生碳化物析出[4]。Co能增加Cr、Mo、W在γ基体中的溶解度[5]。适量的Co可改善合金的抗氧化耐热腐蚀性能；过量的Co减少强化相γ′的体积分数，降低合金的强度。Co降低合金的初熔温度[6]，提高合金的持久寿命[7-8]，促进固溶过程，有助于减轻合金元素的偏析[9]。随着单晶合金中难熔金属元素含量的增加，长期工作在高温条件下容易析出TCP相，降低合金的力学性能[10-12]。Co含量对合金的组织稳定性的影响，研究者有不同的观点。Erickson等在三代单晶CMSX-10合金中将Co的含量限制在3.3%[13]，而Walston等则推荐在三代单晶ReneN6合金中将Co的含量提高到12.5%以改善相稳定性[14]。美国、法国、日本分别研制了第四代单晶高温合金 EPM-102[15]、NG-MC[16]和 TMS-138[17]，Co含量分别为16.5%、小于0.2%、5.9%。在公开文献中有关Co含量对单晶高温合金组织和力学性能的研究很少。本工作研究Co含量对第四代单晶高温合金DD15组织和持久性能的影响，为优化第四代单晶高温合金的化学成分，提高合金的组织稳定性和力学性能提供技术支持。

1 实验材料及方法

所用材料为第四代单晶高温合金，在保持其他合金元素含量基本不变的情况下，分别加入9%Co和12%Co，合金成分见表1。在高温度梯度真空定向凝固炉中采用螺旋选晶法分别制备[001]取向的单晶高温合金试棒。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。合金完全热处理后在980 ℃进行2000 h长期时效热处理，分别在时效 400 h、800 h 和 2000 h 取样。合金完全热处理后加工成持久性能试样，在980 ℃/300 MPa条件下测试合金的持久性能。用光学显微镜和扫描电镜观察合金的铸态组织、热处理组织和长期时效组织。采用单位面积法计算一次枝晶间距，用比面积法测定合金的γ/γ′共晶含量。采用JMatPro计算软件分析合金的凝固特征。

表1 不同Co含量合金的化学成分（质量分数/%）Table 1 Nominal chemical compositions of the alloys with different Co contents（mass fraction%）.

2 实验结果与分析

2.1 Co 含量对合金组织的影响

图1为不同Co含量合金的枝晶组织形貌。两种不同Co含量合金在相同凝固条件下获得的凝固组织均为枝晶组织，由枝晶干、枝晶间及枝晶间的γ/γ′共晶组成。经计算9%Co和12%Co合金的一次枝晶间距分别为292 μm和338 μm，共晶含量分别为10.7%和9.3%。由此看出，在相同的定向凝固工艺条件下，随着Co含量增加，合金的一次枝晶间距增加，共晶含量减少。在单晶高温合金凝固过程中，固相和液相之间溶质再分配导致枝晶干和枝晶间的成分不均匀，形成枝晶偏析。γ相形成元素Re、W、Mo、Cr、Co、Ru 偏析于枝晶干，而 γ′相形成元素Al、Nb、Ta枝晶偏析于枝晶间。枝晶间的液相成分具备 γ/γ′共晶相成分时，温度下降 γ/γ′共晶相析出。Co为γ相形成元素，随着Co含量增加，合金中γ相体积分数增加，γ′相体积分数减少，造成凝固时枝晶间形成共晶相的液体体积分数减少，因而形成的共晶体积分数减少。共晶含量是凝固偏析的表征之一，合金中共晶含量的减少，意味着合金凝固枝晶偏析程度的降低[18]。

图1 不同 Co 含量合金的铸态枝晶组织Fig.1 As-cast dendritic micostructures of the alloys with different Co contents: （a）9%Co；（b）12%Co

图2为不同Co含量合金枝晶干和枝晶热处理组织。合金固溶处理时，枝晶间粗大的γ′相全部溶解，共晶团几乎全部溶解，获得单相γ组织。快速冷却过程中大量的γ′相从γ相中析出，再经过时效处理，获得立方化的γ′相组织。在相同的凝固和热处理工艺条件下，合金枝晶干比枝晶间的γ′相立方化程度好，枝晶干的γ′相比枝晶间γ′相尺寸小。由图像分析软件计算得出，两种合金的枝晶干和枝晶间的γ′相尺寸无明显变化，都分别为0.39 μm和0.47 μm；两种合金的γ基体通道尺寸分别为49 nm和51 nm；还可看出，随着Co含量的增加，立方化程度稍有减小。

2.2 Co 含量对合金组织稳定性的影响

图3为9%Co合金980 ℃长期时效组织。由图3可以看出，随着时效时间增加，γ′相尺寸增加仍保持立方状形貌，γ基体通道增加。800 h时效后无TCP相析出，2000 h时效后，枝晶干上析出极少量针状TCP相，9%Co合金具有较好的组织稳定性，TCP相形貌如图4所示，能谱分析见表2，可以看出，TCP相富含Re、W等元素。

图5为12%Co合金980 ℃长期时效组织。由图5可以看出，随着时效时间增加，γ′相尺寸增加，但仍保持立方状形貌，γ基体通道增加。2000 h时效后，无TCP相，12%Co合金具有优异的组织稳定性。与图3相同长期时效时间组织对比看出，随着Co含量增加，γ′相尺寸增大，立方化程度降低。这说明Co促进长期时效过程中γ′相长大，但减少了TCP相的析出，提高了合金的组织稳定性。

图2 不同 Co 含量合金热处理组织 （a）枝晶干，9%Co；（b）枝晶间，9%Co；（c）枝晶干，12%Co；（d）枝晶间，12%CoFig.2 Micostructures of the alloys with different Co contents after the heat treatment （a）dendritic core，9%Co；（b）interdendritic，9%Co；（c）dendritic core，12%Co；（d）interdendritic，12%Co

利用JMatPro相图计算软件及相应的单晶高温合金数据库，研究不同Co含量合金中的相平衡情况。合金计算体系总量为100，各元素按质量分数输入，数据库中可能存在的平衡相不加任何限制条件。合金中的平衡相与Co含量关系如图6所示。结果表明，合金在两个温度下的平衡相包括基体相γ、强化相γ′、MC、不稳定相μ。由图6看出，随着Co含量的增加，γ相体积分数显著增加，γ′相体积分数显著降低，TCP相稍有降低。在两个温度下，当Co含量分别约小于4.8%和7.5%时，无TCP相存在。从计算结果可以看出，随着Co含量由9%增加到12%，合金γ′相体积分数减少，组织稳定性增加，这与上面的长期时效的实验结果一致。合金中TCP相的析出主要原因为γ相中Re、W等高熔点元素的过饱和引起的[19-20]。随着Co含量增加，γ相体积分数增加，Re、W等高熔点元素的过饱和程度降低，因而提高了合金组织稳定性。

2.3 Co 含量对合金持久性能的影响

表3为Co含量对合金980 ℃/300 MPa条件下持久性能的影响。由表3看出，随着Co含量增加，合金的持久寿命显著降低，伸长率稍有增加。

合金的组织决定合金的持久性能。宏观上单晶高温合金由枝晶组织组成，枝晶间存在显微疏松、成分偏析等缺陷，高温下合金的枝晶间强度较低，显微裂纹首先在枝晶间产生。随着Co含量增加，合金的枝晶间距增大，增加了合金枝晶间在高温载荷下的裂纹萌生和扩展概率，因而降低合金的持久性能[21-23]。从微观上考虑，单晶高温合金主要由γ和γ′两相组成。γ′作为沉淀强化相，其尺寸、形态和体积分数对单晶高温合金力学性能有重要的影响。在单晶高温合金高温变形过程中，位错先在γ相中运动，遇到γ/γ′相界面受阻。具有不同柏氏矢量的位错，在进行长程交滑移的同时，相遇并发生位错反应，于是在γ/γ′相界面上形成位错网，位错网密度越大，合金强度越大。随着γ′相体积分数的增加，γ/γ′相界面面积增大，形成的位错网密度增高，能够有效地阻碍后续位错剪切通过γ′相，能减小合金的变形速率[24-25]。随着Co含量增加，合金的γ′相体积分数显著增加，有助于提高合金的持久性能。在高温下，9%Co合金的γ′相比12%Co合金合并长大速率小，这也有助于合金具有较高的强度。Co为γ基体形成元素，可以固溶强化基体，Co 的原子半径（0.167 nm）与 Ni（0.162 nm）相差不大，因此其固溶强化效果甚为微弱。虽然随着Co含量增加，合金γ′相的稳定性稍有降低，在980 ℃时效2000 h无TCP相析出，但对于寿命远小于2000 h的持久性能影响较小。综合以上原因，随着Co含量增加，合金的持久性能降低。

图3 9%Co 合金 980 ℃ 长期时效组织 （a）枝晶干，400 h；（b）枝晶间，400 h；（c）枝晶干，800 h；（d）枝晶间，400 h；（e）枝晶干，2000 h；（f）枝晶间，2000 hFig.3 Microstructures of 9%Co alloy after long term aging at 980 ℃ （ a） dendritic core，400 h； （ b） interdendritic，400 h；（c）dendritic core，800 h；（d）interdendritic，800 h；（e）dendritic core，2000 h；（f）interdendritic，2000 h

图4 9%Co 量合金 980 ℃ 长期时效 2000 h 析出的 TCP 相 （a）低倍；（b）高倍Fig.4 TCP precipitates in the microstructures of 9%Co alloy after long term aging at 980 ℃ for 2000 h （a）low magnification；（b）high magnification

表2 9% Co 合金析出 TCP 相的化学成分（质量分数/%）Table 2 Chemical composition of TCP phase in 9% Co alloy（mass fraction/%）

图5 12%Co 合金 980 ℃ 长期时效组织 （a）枝晶干，400 h；（b）枝晶间，400 h；（c）枝晶干，800 h；（d）枝晶间，400 h；（e）枝晶干，2000 h；（f）枝晶间，2000 hFig.5 Microstructures of 12%Co alloy after long term aging at 980 ℃ （a）dendritic core，400 h；（ b） interdendritic，400 h；（c）dendritic core，800 h；（d）interdendritic，800 h；（e）dendritic core，2000 h；（f）interdendritic，2000 h

表3 Co 含量对合金 980 ℃/300 MPa 条件下持久性能的影响Table 3 Effect of Co content on stress rupture properties of the alloy at 980 ℃/300 MPa

图6 合金中各平衡相与 Co 含量的关系 （a）1100 ℃；（b）1140 ℃Fig.6 Relationship between every stable phase and Co content in the alloy （a）1100 ℃；（b）1140 ℃

3 结论

（1）随着Co含量增加，合金的一次枝晶间距增加，共晶含量减少。

（2）随着Co含量的增加，合金枝晶干和枝晶间的γ′相尺寸无明显变化，立方化程度稍有减小，γ基体通道尺寸稍有增加，γ′相体积分数减少。

（3）随着Co含量增加，长期时效过程中γ′相合并长大速率增大，时效2000 h无TCP相析出，合金的组织稳定性提高。

（4）随着Co含量增加，合金的持久性能降低。