劉維維，李 影，劉世忠，李嘉榮

（北京航空材料研究院 先進(jìn)高溫結(jié)構(gòu)材料國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100095）

［011］取向DD6單晶高溫合金薄壁持久性能

劉維維，李 影，劉世忠，李嘉榮

（北京航空材料研究院 先進(jìn)高溫結(jié)構(gòu)材料國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100095）

采用薄壁試樣研究了760，980，1070℃條件下［011］取向第二代單晶高溫合金DD6的持久性能。結(jié)果表明：與標(biāo)準(zhǔn)試樣（直徑5mm）相比，DD6單晶高溫合金薄壁試樣的持久壽命與之相當(dāng)。對(duì)合金760℃／590MPa，980℃／270MPa及1070℃／270MPa條件下組織分析發(fā)現(xiàn)：760℃合金γ′相局部發(fā)生變形，980，1070℃條件下DD6合金γ′相發(fā)生了定向粗化，形成筏排。

單晶高溫合金；DD6；薄壁性能；持久壽命

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪工作溫度的不斷提高，渦輪葉片內(nèi)腔結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，這種空心內(nèi)腔氣冷薄壁結(jié)構(gòu)要求渦輪葉片的壁非常薄，在此情況下，材料性能與標(biāo)準(zhǔn)試樣相比可能有所變化，由此產(chǎn)生薄壁效應(yīng)［1］。鎳基單晶高溫合金由于具有優(yōu)良的高溫性能，是目前制造先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鉁u輪葉片的主要材料。Seetharaman［2］研究發(fā)現(xiàn)，PWA1484合金機(jī)加后薄壁試樣厚度從3.18mm降低到0.38mm，760℃／758MPa蠕變壽命降低60%，但是機(jī)加后薄壁試樣厚度對(duì)871℃和982℃持久壽命影響相對(duì)有限。Doner［3］等發(fā)現(xiàn)，當(dāng)施加應(yīng)力低于275MPa，未加涂層的CMSX－3合金試樣受厚度影響顯著。張強(qiáng)［4］對(duì)一種定向凝固高溫合金的管狀薄壁試樣（δ＝1.0～1.4mm）研究發(fā)現(xiàn)，薄壁試樣的持久性能與標(biāo)準(zhǔn)試樣（直徑5mm）相比無(wú)明顯下降，主要原因是薄壁試樣的凝固速率快，使得枝晶密度增大，每個(gè)枝晶實(shí)際承受載荷減小。中溫持久壽命對(duì)壁厚更為敏感，但單晶及定向凝固合金的薄壁效應(yīng)比普通鑄造合金要?。?］。

與多晶材料相比，單晶高溫合金的一個(gè)顯著特征為各向異性，單晶高溫合金的持久性能具有明顯的取向依賴(lài)性。劉金來(lái)［6］等測(cè)定了一種鎳基單晶高溫合金［001］，［011］，［111］取向高溫持久性能，結(jié)果表明：［001］方向塑性最好，［111］方向壽命最長(zhǎng)，而［011］方向各性能指標(biāo)較低。趙乃仁［7］等對(duì)一種無(wú)錸單晶合金871℃／552MPa及1010℃／248MPa持久性能測(cè)試后發(fā)現(xiàn)，［011］方向持久壽命最低。

盡管［001］取向的綜合性能較優(yōu)，而且單晶葉片的［001］取向與葉片工作時(shí)的主應(yīng)力軸方向平行，但葉片的復(fù)雜形狀及各部分的溫度梯度仍會(huì)產(chǎn)生多軸應(yīng)力［8］。為了優(yōu)化單晶葉片的設(shè)計(jì)，充分利用高溫合金優(yōu)異的高溫強(qiáng)度，應(yīng)開(kāi)展［001］，［011］，［111］取向合金的薄壁性能研究。本工作選擇760，980，1070℃條件下［011］取向的DD6合金進(jìn)行薄壁持久性能研究，并與標(biāo)準(zhǔn)試樣（直徑5mm）持久性能進(jìn)行對(duì)比。

1 試樣制備和實(shí)驗(yàn)方法

在ZGD－1真空感應(yīng)定向凝固爐內(nèi)采用籽晶法制備［011］取向的DD6合金單晶試板，鑄造單晶試板尺寸為130mm×30mm×10mm，母合金化學(xué)成分控制如文獻(xiàn)［9］所示。用勞埃X射線法測(cè)定單晶試板的結(jié)晶取向，加工后的力學(xué)性能試樣［011］結(jié)晶取向與試樣主應(yīng)力軸方向偏離小于10°。

按照標(biāo)準(zhǔn)熱處理工藝對(duì)DD6單晶試板進(jìn)行熱處理，熱處理制度為1290℃，1h＋1300℃，2h＋1315℃，4h空冷＋1120℃，4h空冷＋870℃，32h空冷。

將熱處理后的試板按照要求加工成板狀薄壁試樣，具體形狀和尺寸如圖1所示。測(cè)試760，980，1070℃條件下薄壁持久性能，沿垂直于［011］取向切取金相試樣，采用掃描電鏡分析 ［011］取向合金組織演化特征。

圖1 薄壁試樣尺寸Fig.1 Size of thin－wall specimen

2 結(jié)果及討論

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)［011］取向DD6合金的原始數(shù)據(jù)處理后得到760，980，1070℃條件下DD6合金的薄壁持久極限（中值），如表1所示。

表1 薄壁試樣的持久極限（中值）（MPa）Table 1 Stress－rupture strength of thin－wallspecimens（median）（MPa）

將表1數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，得到如下方程：

（a）拉森－米勒持久方程（L－M）：

式中：t為持久斷裂時(shí)間；T＝（9θ／5＋32）＋460；θ為攝氏溫度（℃）；x＝lgσ；標(biāo)準(zhǔn)差為0.0268；相關(guān)系數(shù)為0.9937。［011］取向DD6合金不同溫度的持久應(yīng)力－壽命曲線（中值）如圖2所示。由圖2可知合金持久性能按760，980，1070℃遞減。

圖2 薄壁試樣的持久應(yīng)力－壽命曲線（中值）Fig.2 Stress－rupture life curves of thin－wall specimens（median）

（b）曼森－索克普持久熱強(qiáng)參數(shù)綜合方程（M－S）：

式中：σ為應(yīng)力；P為熱強(qiáng)參數(shù)；P＝lgt＋0.00746062T；T＝（9θ／5＋32）＋460；θ為攝氏溫度（℃）；標(biāo)準(zhǔn)差為0.1296；相關(guān)系數(shù)為0.9440。DD6合金的持久熱強(qiáng)參數(shù)綜合曲線如圖3所示。由圖3可知合金持久性能隨應(yīng)力增加而遞減。

DD6合金薄壁試樣及標(biāo)準(zhǔn)試樣的持久壽命如圖4所示。由圖4可知：與標(biāo)準(zhǔn)試樣相比，760，980℃和1070℃薄壁試樣的持久壽命與之相當(dāng)，無(wú)明顯薄壁效應(yīng)。

2.2 顯微組織

圖5為合金760℃／590MPa，980℃／270MPa及1070℃／270MPa條件下薄壁試樣斷口附近和肩部的組織形貌。圖5（a），（c），（e）為試樣斷口附近組織，5（b），（d），（f）為試樣肩部組織，由圖5可知，肩部組織γ′相分布均勻，排列規(guī)則。圖5（a）中，γ′相局部發(fā)生變形，并未見(jiàn)明顯粗化及筏排；圖5（e）中，γ′相沿［100］發(fā)生了整齊規(guī)則的筏排化；圖5（c）中，γ′相組織顯得零亂而且分散，γ′相筏排組織已發(fā)生較大程度的縱向合并，并已經(jīng)解筏?？芍獢嗫诟浇图绮拷M織差異主要是兩區(qū)域溫度場(chǎng)和有效應(yīng)力的差別。隨著溫度和應(yīng)力的提高，塑性變形程度增加，γ′相的筏排扭曲及粗化程度加劇。

760℃／590MPa試樣的持久壽命為326.5h，未發(fā)生筏排化；相同應(yīng)力條件下，980℃／270MPa試樣的持久壽命為253.6h，而1170℃／270MPa試樣的持久壽命為10h，γ′相均發(fā)生筏排化，可見(jiàn)，溫度是影響筏排化的主要因素。這與合金在高溫外加載荷作用下發(fā)生筏排化主要是合金元素?cái)U(kuò)散的結(jié)果相吻合［10］。

圖6為合金760℃／590MPa，980℃／270MPa條件下薄壁試樣斷口形貌。760℃試樣斷口平坦、光滑，為類(lèi)解理斷裂平面，該平面與試樣主應(yīng)力軸夾角大約63°，表明該平面為｛111｝晶面。隨測(cè)試溫度的升高，合金元素?cái)U(kuò)散速率加快，塑性變形更為均勻，980℃試樣斷口呈現(xiàn)韌窩斷裂的特征，且與主應(yīng)力軸成45°夾角，這與γ′相沿［100］發(fā)生筏排的結(jié)果一致［11］。

圖6 薄壁試樣斷口形貌 （a）760℃／590MPa；（b）980℃／270MPaFig.6 Fracture microstructures of the thin－wall specimens （a）760℃／590MPa；（b）980℃／270MPa

3 結(jié)論

（1）760，980℃和1070℃條件下，與標(biāo)準(zhǔn)試樣相比，［011］取向DD6合金薄壁試樣的持久壽命與之相當(dāng)，無(wú)明顯薄壁效應(yīng)。

（2）760℃／590MPa條件下，γ′相局部發(fā)生變形，并未見(jiàn)明顯粗化及筏排；980℃／270MPa及1070℃／270MPa條件下，DD6合金γ′相發(fā)生了定向粗化，形成筏排。

（3）760℃／590MPa 試 樣 斷 口 為 類(lèi) 解 理 斷 裂。980℃／270MPa及1070℃／270MPa試樣斷口呈現(xiàn)韌窩斷裂的特征。

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Thin－wall Stress Rupture Properties of Single Crystal Superalloy DD6with［011］Orientation

LIU Wei－wei，LI Ying，LIU Shi－zhong，LI Jia－rong
（National Key Laboratory of Science and Technology on Advanced High Temperature Structural Materials，Beijing Institute of Aeronautical Materials，Beijing 100095，China）

Thin－wall stress rupture properties of the second generation single crystal superalloy DD6 with［011］orientation were investigated at 760，980℃and 1070℃.The results show that the stressrupture lives of thin－wall specimens are equivalent to those of standard specimens.The microstructures of the alloy were studied at 760℃／590MPa，980℃／270MPa and 1070℃／270MPa，theγ′phase occurs local deformation at 760℃，and the directional coarseningγ′phase occurs and the rafting is formed at 980℃and 1070℃.

single crystal superalloy；DD6；thin－wall property；stress－rupture life

TG132.3

A

1001－4381（2011）08－0024－04

2010－07－06；

2011－03－09

劉維維（1980－），女，碩士，工程師，從事單晶高溫合金方面研究，聯(lián)系地址：北京市81信箱1分箱（100095），E－mail：Liuww＿80＠sina.com