简介概要

Re对耐腐蚀镍基定向高温合金组织及持久寿命的影响

来源期刊：稀有金属2012年第4期

论文作者：杨海青李青肖程波胡聘聘

文章页码：547 - 551

关键词：耐腐蚀高温合金;Re;微观组织;持久寿命;

摘要：优化设计了4种不同Re含量的耐腐蚀定向镍基高温合金,含Re分别为0%,1%,2%和3%(质量分数)。对比了不同Re含量合金的铸态枝晶、γ’相形貌及持久性能试样的断口筏排化组织,测试了不同Re含量合金热处理态的980℃/200 MPa持久寿命,研究了Re对耐腐蚀镍基定向合金组织及持久寿命的影响。研究表明:随着Re含量的增加,合金的一次枝晶间距减小;γ’相尺寸减小,立方化程度增加;蠕变试样的筏排组织更加细化、完善与稳定,因此,合金持久寿命提高。

稀有金属 2012,36(04),547-551

Re对耐腐蚀镍基定向高温合金组织及持久寿命的影响

杨海青李青肖程波胡聘聘

北京航空材料研究院先进高温结构材料重点实验室

摘要：

优化设计了4种不同Re含量的耐腐蚀定向镍基高温合金,含Re分别为0%,1%,2%和3%(质量分数)。对比了不同Re含量合金的铸态枝晶、γ'相形貌及持久性能试样的断口筏排化组织,测试了不同Re含量合金热处理态的980℃/200 MPa持久寿命,研究了Re对耐腐蚀镍基定向合金组织及持久寿命的影响。研究表明:随着Re含量的增加,合金的一次枝晶间距减小;γ'相尺寸减小,立方化程度增加;蠕变试样的筏排组织更加细化、完善与稳定,因此,合金持久寿命提高。

关键词：

耐腐蚀高温合金;Re;微观组织;持久寿命;

中图分类号： TG132.32

作者简介：杨海青(1982-),女,河南人,硕士,工程师;研究方向:铸造高温合金;李青(E-mail:Liqing.01@163.com);

收稿日期：2011-07-19

基金：重点实验室基金项目(9140C4301050801);国家自然科学基金项目(50801058);国家航空基金项目(20085321009);国家工信部科技专项基金项目(2009ZX04006-041)资助;

Effect of Re on Microstructure and Stress-Rupture Life of Corrosion Resistant DS Ni-Base Superalloy

Abstract：

Four Ni-based superalloys with varying rhenium contents(0%,1%,2% and 3%(mass fraction),respectively) were prepared to investigate the effects of Re content on the microstructure and the stress-rupture life of the superalloys.The as-cast primary dendritic arm spacing of the four alloys were compared,and the γ′ precipitates of as-cast and aged alloys were studied.The stress-rupture life at 980 ℃/200 MPa were tested and the rafting microstructure were analyzed with varying Re contents.The results showed that with the increase of Re contents,the primary dendritic arm spacing decreased;the size of the secondary γ′ precipitates decreased;and the morphology of γ′ precipitates became more cubic due to the enlargement of lattice misfit moreover,well rafting microstructure formed with larger driving force because of larger lattice misfit.As a result,the stress-rupture increased.

Keyword：

corrosion resistant superalloy;rhenium;microstructure;stress-rupture life;

Received： 2011-07-19

众所周知, Re的加入显著地促进了单晶高温合金的发展和应用。在单晶合金中加入少量Re可明显改善合金蠕变强度。 Re对单晶合金的显微组织、力学性能、不稳定相及单晶合金缺陷等均有很大影响。基于Re对单晶合金的作用, 国外相继研究和应用了含Re3.0%和6.0%(质量分数)的第二代和第三代单晶合金, 其承温能力比无Re的第一代单晶合金分别提高了30和60 ℃。

Re的加入同样显著地促进了定向合金的发展和应用。 20世纪80年代末及90年代初, 在美国相继涌现出加Re的第二代定向凝固高温合金Rene150, PWA1426, CM186LC和Rene142等 ^[1,2,3] 。它们的性能水平与第一代单晶合金相当, 比第二代定向凝固高温合金的承温能力提高了28～35 ℃。第二代定向凝固高温合金普遍具有良好的环境性能、铸造性能及组织稳定性。日本还开发了相当于第二代单晶合金性能水平的第三代定向合金TMD-103 ^[4] 以及相当于第三代单晶合金性能水平的第四代定向合金TMD-107 ^[5] 。

国外对含Re耐腐蚀定向合金仅进行了初步研究, 有文献报道, Bürgel等 ^[6] 尝试在耐腐蚀合金DS IN792中加入2%～3%的Re, 使合金的持久承温能力比没有加Re合金提高了30 K。但总的来说, 关于Re对耐腐蚀定向高温合金的影响及作用机制尚处于初级阶段。因此, 研究高强耐腐蚀镍基合金中Re元素对合金组织、性能的影响具有重要意义。

本文所研究耐腐蚀镍基定向合金中主要成分为(9～10)Cr, (4～5)Al, (3～4)Ti, %(质量分数), 还有一定量的W, Ta, Mo, 以及少量的B, C。综合考虑该合金的成分设计, 由于Re, W均为最重要强化元素, 原子量相当, Re在阻止合金γ′相粗化和提高合金高温强度等方面的作用均比W显著, 本实验采取以Re代W用Re对W等原子替换的成分设计方法来研究Re含量对一种高Cr镍基定向合金的组织和性能影响, 4种合金的Re和W的总含量为6%, Re的含量分别为0%, 1%, 2%, 3%, 相对应W的含量分别为6%, 5%, 4%, 3%, 本实验测试了4种不同Re含量的合金标准热处理态的持久寿命, 对比了不同Re含量合金的枝晶组织、 γ′相及持久性能试样的筏排组织, 研究了Re对耐腐蚀镍基定向合金组织及持久寿命的影响。

1 实验

实验所用母合金采用IS30-Ⅲ-S型真空感应炉真空冶炼, 并浇注成Ф80 mm的母合金锭, 通过快速凝固法(HRS)在ISP2/Ⅲ-DS真空感应炉内制备试验用定向试棒。合金中Re和W的名义添加量和实测值如表1所示。由表1可知, Re, W的名义添加量和实测值相差不大。

表1 不同合金中Re和W的含量(%, 质量分数)

Table 1Content Re and W in studied alloys (%, mass fraction)

Alloy	Nominal		Measured
Alloy	Re	W	Re	W
A(0Re+6W)	0	6	0	5.6
B(1Re+5W)	1	5	1.1	4.6
C(2Re+4W)	2	4	2.1	3.6
D(3Re+3W)	3	3	3.1	3.0

采用Leica光学金相显微镜观察合金枝晶组织, 采用带有能谱的JSM-5600型扫描电镜观察合金γ, γ′相。试样腐蚀剂为硝酸、氢氟酸和丙三醇, 体积分数比为1∶2∶2。

金相法测出该合金初熔温度在1180～1190 ℃之间, 为调整γ′相组织, 对合金进行了标准热处理, 具体工艺为: 预处理+固溶(空冷)+一级时效(空冷)+二级时效(空冷)(1120 ℃/2 h+1160 ℃/4 h, AC+1060 ℃/4 h, AC+870 ℃/20 h, AC)。

随后, 对4种合金标准热处理态的试棒进行了980 ℃/200 MPa持久性能测试。用于高温持久试样的试样工作部位的尺寸为Φ5 mm×25 mm, 持久性能按HB5150-96测试, 试验在大气下进行, 设备为ΜΠ-3Γ型固定载荷蠕变试验机, 试验温度精度控制在±3 ℃。最后, 对拉伸断裂后的样品进行分析, 观察合金的筏排组织。

2 结果与讨论

2.1 Re对合金的组织影响研究

2.1.1 Re对合金枝晶组织的影响

图1为A, B, C, D合金的光学金相铸态枝晶组织。图中显示, 随着Re含量的增加, 一次枝晶间距减小, 二次枝晶发达程度降低。分析表明, 由于Re含量的增加提高了合金的液相线温度, 在4组合金工艺参数一致的情况下, 相对增加了凝固驱动力, 降低了合金凝固过程中过热温度, 从而提高了合金的凝固速度, 引起一次枝晶间距的减小。

图2为不同Re含量合金热处理后的枝晶组织。由图可见, 热处理后枝晶组织并没有完全消除, 且随着Re含量的增加, 一次枝晶间距减小。枝晶偏析是镍基高温合金铸态组织中存在的最为显著的显微偏析, 在单晶高温合金的热处理过程中, 即使1300 ℃以上的温度进行固溶处理, 也很难消除枝晶组织 ^[7] 。

2.1.2 Re对合金γ'相的影响

图3为不同Re含量合金铸态组织枝晶杆及枝晶间的γ′相形貌。由图可以看出, 与不含Re合金相比, 含Re合金枝晶杆γ′相尺寸减小。有研究表明, Re的低扩散系数 ^[8] 及在γ相中的高分配系数 ^[9] 能够有效阻碍了凝固过程中γ′相的长大。

图4为A, B, C, D合金标准热处理后枝晶杆的γ′相组织。图中显示, 与铸态组织相比, 热处理后合金中的γ′相尺寸明显增大; 与0Re, 1Re以及2Re合金相比, 3Re合金γ′相明显细化, 并且立方化程度增加。 Re在单晶高温合金中的研究结果 ^[10] 与本文中对系列不同Re含量耐热腐蚀合金的研究结论完全一致: Re减小了给定热处理条件下γ′相的尺寸。由于随着合金Re含量的增加, Re在基体中的分配系数越来越高, 即随着Re含量的不断增加, 基体相中低扩散系数的Re含量不断增加, 对γ′相长大的有效阻碍作用不断增强, 因而, 含Re合金γ′相尺寸减小。另一方面, Re的引入增加了γ相基体的点阵常数, 加大了γ/γ′相界面的错配度, 因而使含Re合金的γ′相立方度增加。

图4 Re含量对合金热处理态枝晶杆γ′相形貌的影响(SEM)

Fig.4 Effect of Re contents on γ′ phases in dendritic areas of heat-treated alloys (a) Alloy A, 0Re; (b) Alloy B, 1Re; (c) Alloy C, 2Re; (d) Alloy D, 3Re

2.2 Re对合金持久寿命的影响

图5为Re含量对合金热处理后980 ℃/200 MPa持久寿命的影响, 图中显示, 合金的持久寿命随Re含量的增加呈上升的趋势。

图6显示的是标准热处理的4种合金在980 ℃/200 MPa持久性能测试后的断口附近的微观组织形貌, 从图中可以看出, 4种合金断口附近的γ′明显筏排化, 且随着Re含量的增加, 合金筏排组织明显细化, 含Re合金γ相及γ′相厚度明显小于0Re合金的。

2.3 分析与讨论

以上的研究结果表明, 随合金中Re含量的增加, 合金一次枝晶间距和γ′尺寸减小, 持久寿命明显增加, 表明Re元素对合金有明显的高温强化作用。

高温强度不同于室温强度, 它更依赖于原子扩散能力, 因而, 提高原子间结合力, 降低扩散系数, 提高再结晶温度以及阻止扩散的因素更有利于提高合金的高温强度。在高温长时间试验条件下, 由于Re元素的固溶强化作用, 对元素扩散的阻止作用明显, 对γ′相、碳化物强化相的稳定作用贡献增大, 这些因素都有利于提高合金的高温持久性能。

在本实验中, 随着Re含量的增加, 合金的持久寿命不断提高有以下3个原因:

(1) Re减小了合金的一次枝晶间距(图1, 2)。枝晶、晶粒的细化有利于高温力学性能和持久寿命的提高 ^[11,12,13] , 李金山等 ^[11] 的研究结果表明, 铸态下, 合金超细组织单晶的持久寿命是粗枝晶组织单晶的1.45倍; 在热处理状态下, 超细枝晶单晶的持久寿命是粗枝晶单晶的1.85倍。

(2) Re减小了合金的γ′相尺寸(图3, 4)。 γ′相是镍基高温合金的最主要强化相, γ′相尺寸是影响γ′相强化效果的重要因素, 通常存在一个最佳的尺寸范围, 在最佳尺寸范围内达到对合金的最好的强化效果, 当γ′相尺寸超过这一最佳尺寸范围, 随γ′相尺寸增加, 对合金的强化降低, 在高γ′相含量强化的镍基高温合金中, γ′相的临界强化尺寸约为0.2 μm, 本文中合金的γ′相尺寸在0.3～0.5 μm范围内, 因此随Re含量的增高以及γ′相尺寸的减小, 合金的强化效果增加 ^[12,14] 。

图5 Re含量对合金9 8 0℃/200 MPa持久寿命的影响Fig.5 Effect of Re contents on the stress-rupture life at9 8 0℃/200 MPa

Alloy A,0Re;Alloy B,1Re;Alloy C,2Re;Alloy D,3Re

(3) Re稳定了高温蠕变过程中γ′相形成筏状组织(图6)。图6显示3Re合金的高温持久试验时间虽然最长, 但γ相及γ′相厚度均明显小于0Re合金, 说明Re元素对γ′筏排结构有明显的细化和稳定作用。在高温蠕变过程中形成的γ′筏状组织不仅能抑制高温形变时位错的绕过运动, 而且能阻碍借助于扩散的位错攀移运动, 位错只能以切割方式通过γ′筏状组织, 完善的γ′筏状组织有利于提高合金的持久性能。

图6 Re含量对热处理态合金持久试样断口附近组织形貌的影响Fig.6 Effect of Re contents on the microstructure near the fracture surface of stress-ruptured specimens

(a)Alloy A,0Re;(b)Alloy B,1Re;(c)Alloy C,2Re;(d)Alloy D,3Re

筏排化的机制受扩散控制, 筏排化的速率受合金元素的扩散控制 ^[15] , 对于在合金化元素中具有最低扩散速率的Re, 对γ′筏排化扩散过程将产生明显影响。 Giamei研究证明 ^[16] , Re增加了γ′的粗化激活能, γ′筏排化的整个过程是合金原子在温度和应力的作用下的扩散过程。这一过程中, 合金元素的扩散速率控制了整个进程。低扩散速率的Re元素在这过程中的主要作用可能有两方面: (1) 阻碍γ′的粗化, 对应着蠕变的第一阶段; (2) 稳定γ′筏排结构, 对应着蠕变的第二阶段。

由于γ′筏排结构在蠕变初期很快充分形成, 直到蠕变加速前, 其结构基本保持不变 ^[17] , Re对γ′粗化(蠕变的第一阶段)的阻碍作用在整个蠕变过程中的作用时间较短, 可见这种阻碍作用对于合金蠕变寿命提高的贡献微乎其微, 所以稳定γ′筏排结构是含Re合金蠕变寿命提高的主要原因。