Re对单晶高温合金高温高应力持久性能的影响
骆宇时, 李嘉荣, 刘世忠, 孙凤礼, 韩 梅, 曹春晓
(北京航空材料研究院 先进高温结构材料国防科技重点实验室, 北京 100095)
摘 要: 基于DD6合金成分, 调整合金Re与Cr含量, 浇注5种不同Re含量单晶高温合金。 通过对合金在1038℃, 248MPa持久性能的测试及对合金断裂组织扫描、 透射电镜观察与分析, 探讨了Re对单晶高温合金高温高应力持久性能的影响。 结果表明: 在高温高应力条件下, 随合金中Re含量的单独增加, 合金高温高应力持久寿命提高, 而单位质量Re元素的强化作用减弱; 合金Cr含量对合金高温高应力持久寿命有显著影响, Re含量增加的同时适当降低合金Cr含量, 可使合金获得较高的持久寿命。
关键词: 铼; 持久寿命; DD6合金; 强化效应 中图分类号: TG146.4; TG132.3
文献标识码: A
Effects of Re on stress rupture properties of single crystal superalloys at elevated temperature and high stress
LUO Yu-shi, LI Jia-rong, LIU Shi-zhong, SUN Feng-li, HAN Mei, CAO Chun-xiao
(National Key Laboratory of Advanced High Temperature Structural Materials, Beijing Institute of Aeronautical Materials, Beijing 100095, China)
Abstract: The effects of Re on stress rupture properties of high refractory content single crystal Ni-base superalloys at elevated temperature and high stress were investigated. Based on the compositions of DD6 alloy, five experimental single crystal superalloys containing varied levels of Re and Cr were produced. High temperature stress rupture tests were carried out at 1038℃ with an engineering stress of 248MPa. The stress rupture life is found to be remarkably improved with Re addition but the strengthening effect of Re is depressed with increasing Re content only, and alloys can achieve rather longer stress rupture life by increasing Re content and decreasing Cr content at the same time.
Key words: rhenium; stress rupture life; DD6 alloy; strengthening effect
随着航空发动机进口温度和效率的不断提高, Re作为单晶高温合金获得优异高温性能的关键元素, 已经成为发动机叶片用材料——单晶高温合金不可缺少的添加元素。 Re对单晶高温合金的作用得到了广泛关注和重视。 不同研究者研究了Re对单晶高温合金组织特征[1-3]、 合金元素扩散行为[4, 5]、 TCP相的形成及析出特征[6, 7]等的影响, 对Re影响单晶高温合金蠕变性能的研究也有报道[8, 9]。 然而, 关于Re对单晶高温合金高温高应力条件下的持久性能影响的研究报道并不多。 为充分研究Re在单晶高温合金中的作用, 最大限度发挥Re的强化效应, 合理利用Re元素, 有必要深入研究Re对单晶高温合金高温高应力持久性能的影响。 据此, 本文作者进行了这方面的研究。
1 实验
实验用合金成分是以第二代单晶DD6合金成分为基础(DD6合金成分见文献[10]), 调整Re与Cr含量, 各合金Re与Cr的含量见表1。 采用螺旋选晶法在定向凝固炉上进行小炉熔炼及定向凝固, 制得[001]取向d15mm试棒。 采用背射劳埃法测定晶体取向, 用于实验的试棒其[001]结晶取向与试样主应力轴方向偏离不大于10°。 热处理后的试棒加工成标准高温持久性能用试样, 在高温持久实验机上进行1038℃, 248MPa持久实验。 在S-3500N扫描电镜上观察断裂后组织。 在JEM-2000FX透射电镜下观察断裂试样薄膜, 测定合金断裂组织中TCP相成分。
表1 5种合金中Re和Cr含量
Table 1 Contents of Re and Cr for studied alloys (mass fraction, %)
2 结果与分析
实验合金在1038℃, 248MPa条件下持久寿命见图1。 很明显, 含Re的B、 C、 D、 E合金于1038℃, 248MPa的持久寿命明显高于不含Re的合金A。 B合金的持久寿命达到了A合金的两倍多, C、 D合金持久寿命达到了A合金的近3倍, 而E合金持久寿命达到了A合金的近6倍。 显然, Re的添加是B、 C、 D、 E合金持久寿命显著提高的关键原因。 与合金B相比, Re含量分别增加到3.0%、 4.0%的C、 D合金, 其持久寿命提高并不多, 这表明, 单独增加合金Re含量对合金持久寿命的提高很有限。 与合金D相比, 含Re量同样为4.0%的合金E持久寿命高达98.5h, 其持久寿命提高近一倍。 就D、 E合金成分而言, Cr含量的不同是其唯一差异, 这表明合金中的Cr含量对合金高温持久寿命有显著影响, Cr含量的不同是两合金持久性能差异明显的主要原因。
图1 合金在1038℃, 248MPa条件下的持久寿命
Fig.1 Stress rupture lives of single crystal superalloys at 1038℃ under 248MPa
图2所示为5种合金在1038℃, 248MPa条件下持久断裂试样纵截面组织。 在图2中, 所有合金γ′相都已充分筏排化。 对于A合金, 断裂试样中的γ′筏排组织完善而整齐, 显得粗大而且长; 而B合金断裂试样中的γ′筏排组织稍紊乱, 显得细小而且短。 在图2(c)~2(e)中, C、 D、 E合金的γ、 γ′组织都显得零乱而且分散, γ′筏排组织已发生较大程度的纵向合并, 并已解筏。 同时, 在合金C、 D、 E断裂试样组织中发现有针状和片状TCP相析出。 与合金A、 B的断裂组织明显不同的是, 合金C、 D的断裂组织中典型的γ′筏排组织变少, 析出的TCP相将γ′筏排组织分割开, γ′筏排组织显得零乱而分散。
3 讨论
3.1 Re的作用
Re显著提高单晶高温合金高温性能[8, 11]。 由图1可见, Re对单晶高温合金高温持久寿命有突出作用。 图1还表明, 随Re 含量的增加, 合金持久寿命增加。 但由合金B、 C、 D的比较可知, 相对于合金B, 随Re 含量的单独增加, 合金C、 D持久寿命的增加并不多, 如图3所示。 B、 C、 D合金中单位Re含量对持久寿命的提高作用依次减小。 很明显, 对于合金C、 D, Re的强化作用未得到充分发挥。 对于合金E, Cr含量的降低, 保证了Re的强化效应较充分发挥, 使单位质量Re元素对持久寿命的提高作用显著增加。
对各合金持久断裂试样组织观察表明, 在合金C、 D、 E枝晶干、 枝晶间都有部分TCP相析出。 从表2可看出, 随合金Re含量的单独增加, 断裂组织中TCP相析出量增加。 而对于增加Re含量同时降低Cr含量的合金E, 其断裂组织中TCP相析出量明显减少。 这说明, 合金Re含量单独增加, 合金
图2 持久断裂试样的显微组织
Fig.2 Microstructures of stress rupture specimens
图3 单位质量Re元素对合金持久寿命的提高作用
Fig.3 Enhancement effect of unit Re on stress rupture lives (f)
组织稳定性降低, Cr含量降低, 合金组织稳定性增加。
Re对单晶高温合金具有突出强化效应的同时, 强烈促进TCP相的形成[7]。 合金于1038℃, 248MPa条件下的持久断裂组织表明, 含Re的C、 D、 E合金有不同程度的TCP相析出。 合金持久寿命与其TCP相析出及分布见表2。 在1038℃, 248MPa条件下, 不含Re的合金A和含Re量为2%的合金B断裂组织中无TCP相析出; 而含Re量分别为3%合金C、 及4%的合金D和E, 在枝晶干和枝晶间都析出较多的TCP相。 合金C在枝晶干析出约1.64%的TCP相; 合金D在枝晶干析出高达6.21%的TCP相; 而降低了Cr含量的合金E断裂试样中TCP相析出量明显减少。 可见, 对于C、 D、 E合金, Re的高含量影响了合金高温持久条件下的组织稳定性。 尤其是C、 D合金, 高的Re含量的同时含高的Cr量, 进一步降低了其组织稳定性, 导致了在较短的持久时间内较多TCP相的析出。
3.2 TCP相的影响
有研究认为单晶高温合金中少量TCP相对合金的蠕变性能影响不大[12, 13], 表2的数据表明, 一定量的TCP相析出对合金C、 D的高温高应力持久寿命有明显影响。 表3所列为C、 D、 E合金TCP相成分, 相成分数据表明, TCP相的析出, 消耗了对合金高温强度起关键作用的合金元素如W、 Re等, 从而贫化了合金相中高熔点元素。 基体中高熔点元素的贫化使两相间合金元素的扩散加剧, 弱化了γ′及两相界面。 同时, 析出的TCP相将合金中对位错运动起主要阻碍作用的γ′筏排组织分割开(图2(c)、 2(d)), 削弱了γ′筏排组织对位错的阻碍作用。 另外, TCP相的析出, 可使位错受阻于TCP相, 并塞积, 最终微裂纹易沿TCP相形成。 并且, TCP相为裂纹扩展提供了通道, 裂纹易沿TCP相扩展。 可以推测: 大量TCP相的析出, 是导致含Re量较高的合金C、 D持久寿命相对B合金提高不多的重要原因。
表2 合金中Cr、 Re含量与TCP析出量
Table 2 Cr and Re contents and volume fractions of TCP phases of alloys
表3 合金TCP相的成分
Table 3 Compositions of TCP phases (mass fraction, %)
3.3 合金组织稳定性
与合金D相比, 在1038℃, 248MPa条件下, 合金E持久寿命提高了近一倍。 合金E更高的持久寿命是由于合金E具有比合金D低一倍的Cr含量, 使其TCP相析出倾向明显弱于合金E, 合金组织稳定性增加, TCP相析出时间延迟, 保证了Re在较长时间内对合金强化效应的发挥。 与合金D一样, 合金C中TCP相的析出, 消耗了大量对合金起重要固溶强化效应的高熔点、 低扩散元素, 使这些元素的强化效应, 尤其是Re的强化效应未充分发挥合金就过早断裂。 相对于合金C、 D, 合金B、 E具有较高的组织稳定性, 在1038℃, 248MPa条件下, Re元素在其中的强化效应得到较充分发挥。
从合金B、 C、 D、 E的比较可知, 合金的组织稳定性是影响合金高温持久寿命的重要因素之一, 也是影响Re元素强化效应发挥的重要因素。 Re可以显著提高单晶高温合金的高温蠕变强度, 但合金没有优异的组织稳定性, Re的强化效应也无从发挥。 在第四代单晶高温合金TMS-138中加入Ru的设计目的即是通过Ru抑制含Re合金中TCP相的析出, 保证合金的组织稳定性, 以保证Re元素强化效应的充分发挥, 从而获得优异的高温持久性能[14]。 对具有优于TMS-138高温蠕变性能的TMS-162合金的最新研究表明, 合金中的Ru并不是合金的强化元素, 其对蠕变强度显著提高的贡献来自于对合金中相的稳定作用[15]。 可见, 保证合金的组织稳定性, 是充分发挥Re的强化效应、 获得优异高温高应力持久性能的关键。
4 结论
1) 单晶高温合金的Re含量显著影响合金的高温高应力持久性能。 合金Re含量在一定范围内的增加, 使合金高温高应力持久寿命增加。
2) 在高温高应力条件下, 随合金Re含量的单独增加, 单位质量Re元素的强化作用减弱。 适当调整合金成分, 可较大程度提高Re对合金的强化作用。
3) Re促进TCP相的析出, 弱化Re在单晶高温合金高温高应力持久过程中的强化作用。
4) Re含量增加的同时, 适当降低合金Cr含量, 可使合金获得较高的持久寿命。
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(编辑陈爱华)
收稿日期: 2005-07-15; 修订日期: 2005-08-20
作者简介: 骆宇时(1978-), 男, 博士研究生
通讯作者: 骆宇时, 电话: 010-62496338; E-mail: yushiluo.student@sina.com
