一种含Re镍基单晶高温合金的长时组织演化规律研究

郭维华 魏先平 张琼元 高振桓 聂丽萍 巩秀芳

(1.东方电气集团东方汽轮机有限公司，四川618000；2.长寿命高温国家重点实验室，四川618000)

收稿日期：2021-11-25

作者简介：郭维华(1987—)，女，硕士，工程师，主要从事汽轮机及燃气轮机材料开发与设计。

提高透平初温是提高工业燃气轮机功率的一种重要方式，这对透平叶片的承温能力提出了愈来愈高的要求。目前，先进燃气轮机的透平初温达到了1 500～1 600℃，透平动、静叶等高温部件的材料几乎无一例外选用镍基高温合金。从20世纪40年代以来，镍基高温合金从变形高温合金(Wrought)、铸造高温合金(CC)发展到定向凝固高温合金(DS)和单晶高温合金(SC)，单晶高温合金叶片由于消除了晶界，其使用温度提高到熔点的0.85倍(约1 150℃)，且高温时组织稳定，综合性能很好，所以越来越多的重型燃机透平叶片选用单晶高温合金，美国GE的H级及德国西门子的F/H级燃机第一级透平动静叶片均采用了单晶合金[1-3]。目前国内自主研发的重型燃机叶片材料较少，单晶叶片材料长时服役组织演化规律及成分变化研究较少。

由于材料在高温服役的过程中，不可避免地会发生材料的组织变化。而部件服役性能的变化或衰减的本质原因是材料组织的变化。对于长时工作的单晶叶片材料也不例外，这就要求叶片用单晶材料具备良好的高温组织稳定性。单晶合金强度主要取决于γ′相的沉淀强化，γ′相的形貌对合金的性能有很大的影响[4]。本文通过对含Re镍基单晶高温合金进行长时时效，分析其组织演化规律，建立材料组织随温度变化的组织图库，指导单晶叶片选材及寿命评估。

1 材料及试验方法

采用的镍基单晶高温合金材料为自主研发的DF系列单晶高温合金中的一种，以下简称为DF20，其化学名义成分如表1所示。试验采用HRS法浇注，通过选晶法在高温度梯度真空定向凝固炉中，得到[001]取向的单晶合金试棒，单晶试棒尺寸为∅14 mm×200 mm，如图1所示，经过XRD测其单晶偏离角度为3.3°。采用自主设计的热处理工艺在真空热处理炉中对试棒进行两次固溶，如图2所示。截取高度h≤15 mm的试块，进行机械研磨、抛光和腐蚀。通过DM6金相显微镜和JSM-6490LV扫描电镜，观察热处理前后样品横截面的微观组织形貌，观察γ/γ′的形貌并统计γ′相的尺寸。在大气炉中进行长时时效试验，时效温度为950℃，研究热处理后的DF20试棒在该温度下时效2 000 h、5 000 h和10 000 h的组织变化特征。通过Apreo扫描电镜观察长时时效后试棒的γ/γ′的筏化规律及通过BRUKER能谱仪测试γ′成分质量分数。

图1 单晶试棒DF20Figure 1 Single crystal test bar DF20

图2 DF20热处理工艺Figure 2 Heat treatment process of DF20

2 试验结果及分析

2.1 DF20合金试棒热处理后的γ/γ′组织

DF20合金试棒经过热处理后微观组织形貌如图3所示，固溶后99%的铸态γ′溶解，经过高温时效，析出细小、均匀分布的立方体γ′相，其平均尺寸为400～450 nm。DF20的设计使用温度为900～1 000℃，因为γ′相颗粒的尺寸，在枝晶间和枝晶干为400～450 nm时能达到理想的抗蠕变性能[5-6]，再经较低温度(870℃或760℃)时效后，进一步在γ′基体上析出更为细小的γ′相，其尺寸约为300 nm，有助于增强阻碍位错运动的作用，提高材料的综合性能[2]。

图3 二次固溶时效后的DF20试棒的微观组织形貌Figure 3 Microstructure morphology of DF20 test barafter the second solution and aging

2.2 950℃高温长时时效后DF20的组织

对DF20镍基单晶试棒进行2 000 h、5 000 h、10 000 h的长时时效，时效温度为TCP相析出的敏感温度950℃，从图4可以看到2 000 h、5 000 h、10 000 h的长时时效后的显微组织均没有产生TCP相。由于TCP相会降低合金的抗蠕变性能，说明DF20合金组织稳定，抗蠕变性能在10 000 h内有一定保证。继续观察长时时效后的枝晶干部分的强化相γ′相的形貌，可以看到当长时时效时间为2 000 h、5 000 h时，仍然有大面积的立方状γ′存在，并与基体保持共格关系，部分γ′的立方体结构有粗化趋势，立方体的γ′逐渐向菱形变化，枝晶间区域出现了筏化现象。随着时效时间的延长，筏排化现象越显著，当时效时间为10 000 h时，出现了长方形的γ′相组织。同时，γ′强化相时效时间越长，强化相析出尺寸越大，其颗粒析出尺寸在2 000 h时效后为450～727 nm，而5 000 h时效后粗化至500～956 nm，10 000 h时效后部分区域大于1 μm。这主要是部分的γ′相发生了聚合，γ相通道变窄，元素发生迁移,γ′相开始沿不同的[001]方向扩散长大[7]，但此时并没有产生TCP相，组织相对稳定。

(a)2000h(b)5000h(c)10000h

2.3 950℃高温长时时效后DF20的成分变化

从图5可以看到元素分布的情况，γ′相的主要元素为Ni、Mo、W、Al、Ti、Hf。其中Cr、Mo和W的含量上升时，错配度显著增大(其中错配度对单位含量的Mo更敏感)[8]。Mo元素可显著提高合金错配度和TCP相析出，影响合金的长时组织稳定性，结合表2可知Mo元素在2 000 h、5 000 h成分变化不大，γ′相保持稳定。W元素显著提高合金错配度，在长期时效过程中元素成分基本没有发生变化，且W元素对TCP相析出的促进作用较弱，W元素保持稳定。而Co的影响很弱，γ′相中未检测出Co元素，Co元素主要分布γ相中起沉淀强化作用，在含量变化时错配度基本不变。而γ′相中Re含量降低(如表2所示)，使DF20合金的一次枝晶间距增加，γ′相尺寸增大，立方化程度减弱出现筏化[9]。

(a)×50 000，2 000 h；元素依次为Al、Ni、Ti、Hf、Ta

表2 DF20试块长时时效后的γ′相化学成分(质量分数，%)Table 2 The chemical composition of the γ′ phase in the DF20 test block after long-time aging(mass fraction, %)

经不同时间时效后γ′相各元素的平均质量分数如表2所示。从表2可知，Al、Ti、Hf元素质量分数在2 000 h、5 000 h、10 000 h时效后变化不大，而Al、Ti为γ′相的主要组成元素，所以经过950℃/10 000 h长时时效后组织稳定性仍较好，无有害相析出。观察到γ′相中的Cr、Mo、W在2 000 h、5 000 h时效后的成分含量变化不大，而在10 000 h时效后的变化相对较大。有报道分析Mo含量的增加可促进Re在γ相中富集，也使Cr的分配比增加[10]。从表2中可知，Mo含量降低，使Re元素不能稳定在γ相中富集，长时时效后元素有扩散，γ/γ′相界面能和弹性应变能降低，大的γ′相长大，小的γ′相溶解，γ′相按Ostwald熟化方式长大[11-12]，γ′呈长方体与立方体共存。

3 结论

(1)DF20单晶高温合金经过950℃/10 000 h长时时效，没有TCP相析出，合金长时组织稳定性良好。

(2)DF20单晶高温合金时效2 000 h、5 000 h后，γ′成分基本没有变化，γ′相仍然与基体保持共格，有部分枝晶间的γ′相粗化，γ′相尺寸在500～730 nm之间，当长时时效到10 000 h后，由于元素迁移，γ/γ′相界面能和弹性应变能降低，γ/γ′共格弱化，大尺寸的γ′相长大，小尺寸的γ′相溶解，导致γ′呈长方体与立方体共存。