一種低錸鎳基高溫單晶合金的熱處理組織和高溫性能優(yōu)化研究.pdf

1、隨著航空引擎及燃?xì)廨啓C(jī)性能的提升，渦輪前端進(jìn)氣口的燃?xì)鉁囟纫迅哌_(dá)1300°C，因此對(duì)高溫渦輪葉片承溫能力的要求不斷提高。目前高溫渦輪葉片所使用的鎳基單晶合金的設(shè)計(jì)特點(diǎn)是通過添加大量的難熔元素(W, Mo, Ta等)和昂貴稀土(Re, Ru等)進(jìn)行強(qiáng)化，以此來提升合金的高溫性能。但同時(shí)，這些高含量的合金元素也造成了單晶組織穩(wěn)定性降低、密度增大以及成本高昂等缺點(diǎn)，從而嚴(yán)重制約了高溫鎳基單晶合金的廣泛使用。因此在不降低單晶承溫能力的前提下，降

2、低昂貴合金化元素的添加，已成為目前鎳基高溫單晶合金的重要方向。而通過研究鎳基高溫單晶合金在不同環(huán)境條下的高溫性能及其變形機(jī)制，并以此為基礎(chǔ)挖掘現(xiàn)有低成本合金的性能潛力，同樣具有重要的意義。
　　本文通過定向凝固和螺旋選晶法制備了[001]取向的低成本低錸鎳基高溫單晶合金，并通過不同的高溫時(shí)效熱處理工藝使單晶獲得了不同形貌和尺寸的一次γ’析出相組織。本文選取了經(jīng)1000°C高溫時(shí)效、1180°C+1150°C高溫時(shí)效和1100°C高

3、溫時(shí)效(標(biāo)準(zhǔn)高溫時(shí)效)后的單晶試樣，對(duì)它們分別進(jìn)行了高溫蠕變實(shí)驗(yàn)、高溫壓縮實(shí)驗(yàn)和高溫長期暴露(exposure)實(shí)驗(yàn)。分析了不同原始熱處理組織的單晶試樣在不同溫度、應(yīng)力條件下高溫性能、組織穩(wěn)定性差異的原因。在此基礎(chǔ)上探索了通過調(diào)整熱處理工藝來改變單晶組織，從而達(dá)到提升高溫性能的方法的可行性。
　　分別利用透射電子顯微鏡(TEM)和掃描電子顯微鏡(SEM)研究了各單晶試樣在蠕變和壓縮過程中的位錯(cuò)類型、組態(tài)，以及γ’析出相形貌的演變過

4、程。
　　在1100°C/137MPa蠕變條件下，不同原始熱處理組織的單晶的蠕變過程受基體位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和兩相界面位錯(cuò)結(jié)構(gòu)的控制：在蠕變第一階段，γ通道(γ channel)內(nèi) a/2<011>、a/2<101>等基體位錯(cuò)的產(chǎn)生、運(yùn)動(dòng)和交互作用控制了該階段蠕變過程，經(jīng)1000°C高溫時(shí)效的單晶試樣開動(dòng)的基體位錯(cuò)密度較低，出現(xiàn)了以低應(yīng)變量為特征的蠕變初期孕育階段，而經(jīng)1100°C和1180°C+1150°C高溫時(shí)效的試樣開動(dòng)的基體位錯(cuò)密度

5、較高，并且發(fā)現(xiàn)它們?cè)讦?γ’界面開始形成界面位錯(cuò)網(wǎng)(interfacial dislocation network)；在蠕變第二階段，蠕變過程受控于基體位錯(cuò)在γ/γ’相界面所形成的位錯(cuò)網(wǎng)的致密程度，經(jīng)1180°C+1150°C高溫時(shí)效后的單晶試樣中兩相界面位錯(cuò)網(wǎng)的平均寬度最小，而經(jīng)1000°C高溫時(shí)效后的單晶中的位錯(cuò)網(wǎng)平均寬度最大；在蠕變第三階段，發(fā)現(xiàn)a/2<101>和a/2<011>超位錯(cuò)對(duì)已經(jīng)形成并以切割γ’的方式運(yùn)動(dòng)，而該階段蠕變

6、過程則受控于γ/γ’界面位錯(cuò)網(wǎng)對(duì)超位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙程度。經(jīng)1180°C+1150°C高溫時(shí)效后，獲得邊長為0.5 um立方狀γ’相的單晶試樣由于具有較高的γ/γ’兩相界面錯(cuò)配度，形成了最為致密的界面位錯(cuò)網(wǎng)，最為有效地阻礙了超位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，延長了蠕變第三階段時(shí)間。因此，該高溫時(shí)效后的單晶試樣具有最長的總?cè)渥儠r(shí)間，相比于經(jīng)1100°C標(biāo)準(zhǔn)時(shí)效后的單晶試樣，其在該條件下的持久壽命從117 h提高到了206 h。
　　1100°C/137 M

7、Pa蠕變過程中，三個(gè)單晶試樣的γ’都出現(xiàn)了垂直于外加應(yīng)力方向的筏化(raft)過程，1180°C+1150°C高溫時(shí)效后的單晶試樣由于具有較高的原始兩相錯(cuò)配度使得其組織初期筏化進(jìn)程較快，但三個(gè)試樣在蠕變斷裂后的最終筏化程度卻相近。
　　在850°C/660 MPa蠕變條件下，經(jīng)1000°C和1100°C(標(biāo)準(zhǔn))高溫時(shí)效的單晶試樣在整個(gè)蠕變過程中的主要變形機(jī)制均為a/6<112>超偏位錯(cuò)切割γ’相并形成超偏內(nèi)稟層錯(cuò)(SISF)；經(jīng)1

8、180°C+1150°C高溫時(shí)效的單晶試樣的蠕變機(jī)制主要為γ通道內(nèi)基體位錯(cuò)的產(chǎn)生與運(yùn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)與TEM觀察證明，1000°C高溫時(shí)效后平均直徑為0.34 nm的不規(guī)則γ’相中開動(dòng)了多系<112>{111}層錯(cuò)，而經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)高溫時(shí)效后平均邊長為0.45 nm的立方γ’相中只開動(dòng)了單系層錯(cuò)；多系滑移的開動(dòng)降低了前者的蠕變速率從而使其延長了總?cè)渥儠r(shí)間。1180°C+1150°C高溫時(shí)效的試樣在該蠕變條件下變形機(jī)制雖仍以基體位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)為主，但并未在兩相

9、界面處形成規(guī)整的界面位錯(cuò)網(wǎng)，因此無法有效降低蠕變速率。因此，經(jīng)1000°C高溫時(shí)效后的單晶試樣獲得了該蠕變條件下最長的持久壽命，相比與經(jīng)1100°C標(biāo)準(zhǔn)時(shí)效后的單晶試樣，其持久壽命從59 h提高到了106 h。
　　850°C/660MPa蠕變過程中三個(gè)單晶試樣的筏化程度較低，1180°C+1150°C高溫時(shí)效后的單晶試樣的筏化進(jìn)程最快，而且在蠕變斷裂后該單晶試樣的筏化程度仍最高。
　　高溫壓縮實(shí)驗(yàn)表明所有單晶試樣都表現(xiàn)出了

10、明顯的反常屈服行為，即隨著實(shí)驗(yàn)溫度的上升，屈服強(qiáng)度表出現(xiàn)先上升后下降的趨勢，出現(xiàn)了峰值屈服應(yīng)力。通過透射電鏡分析了不同原始組織該單晶試樣的高溫壓縮屈服行為，發(fā)現(xiàn)在600°C變形時(shí)(峰值屈服溫度以下)，三個(gè)單晶試樣中均發(fā)現(xiàn)切割γ’并形成反向疇界(APB)的超位錯(cuò)結(jié)構(gòu)，經(jīng)1180°C+1150°C高溫時(shí)效的試樣不僅具有較高的超位錯(cuò)密度，并且其γ’的各向異性APB能比值γ111/γ001最高，使得該試樣中超位錯(cuò)發(fā)生K-W(Kear-Wilsd

11、orf)鎖的幾率較高，因此獲得了最寬的反常溫度區(qū)間和最高的屈服應(yīng)力水平。在1000°C變形時(shí)(峰值屈服溫度以上)，三個(gè)單晶試樣的變形機(jī)制均轉(zhuǎn)變?yōu)槌诲e(cuò)切割γ’并形成SISF。經(jīng)1180°C+1150°C高溫時(shí)效試樣的γ’具有相對(duì)較高的SISF能且超偏位錯(cuò)切割γ’的距離較長，因此仍獲得了最高的屈服應(yīng)力水平。不同原始組織單晶試樣的屈服峰值溫度也具有明顯差異，經(jīng)1000°C和1100°C高溫時(shí)效的單晶試樣的壓縮屈服峰值應(yīng)力所對(duì)應(yīng)的溫度出現(xiàn)在

12、850°C左右；而經(jīng)1180°C+1150°C高溫度時(shí)效后的單晶試樣則出現(xiàn)在800°C左右。
　　通過掃描電鏡分析了不同原始熱處理組織鎳基單晶在長期高溫暴露過程中的組織粗化演變，發(fā)現(xiàn)該單晶高溫合金的組織穩(wěn)定性主要受實(shí)驗(yàn)溫度和原始γ/γ’兩相界面能的影響，在1100°C(高溫)的暴露實(shí)驗(yàn)過程中，γ’組織的粗化受擴(kuò)散影響程度較大；在850°C(中溫)的暴露實(shí)驗(yàn)過程中，則主要受原始組織兩相界面能的影響，經(jīng)1180°C+1150°C高溫時(shí)