谷懷鵬， 曹臘梅， 薛 明， 周志軍

(1. 北京航空材料研究院 先進(jìn)高溫結(jié)構(gòu)材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100095;2. 北京百慕航材高科技股份有限公司，北京100094)

鎳基單晶高溫合金是制造先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的關(guān)鍵材料。添加難熔合金元素(Re，W 和Mo等)可提高鎳基單晶高溫合金的承溫能力，但難熔元素含量過高也會(huì)促進(jìn)有害的拓?fù)涿芘畔?TCP)析出，如μ，P 和σ 相等，破壞組織穩(wěn)定性［1，2］。

研究表明，應(yīng)力對(duì)高溫合金的組織穩(wěn)定性具有一定的影響。Acharya 等［3］研究表明在1050℃下應(yīng)力抑制了CMSX-10 單晶中σ 相的析出，且σ 相的體積分?jǐn)?shù)隨著應(yīng)力的提高而減小。Dreshfield 等［4］研究表明816℃下應(yīng)力對(duì)IN100 合金中σ 相的析出具有抑制作用。而Wlodek［5］和Mihalisin 等［6］研究認(rèn)為應(yīng)力促進(jìn)IN-100 合金和INCO713C 合金中σ 相的析出。此外，Collins 等［7］的研究則表明應(yīng)力對(duì)IN100 合金中TCP 相析出的影響比較復(fù)雜，在815℃下應(yīng)力促進(jìn)σ 相的析出;而當(dāng)溫度為870℃時(shí)，應(yīng)力對(duì)σ 相的析出行為沒有影響。Pessah 等［8］的研究表明在1050℃下，應(yīng)力對(duì)MC2 合金中μ 相的析出有抑制作用。從已有的研究可以看出，目前對(duì)應(yīng)力是否促進(jìn)TCP 相的析出尚存在爭(zhēng)議［3～8］，這主要是由于人們?cè)趹?yīng)力對(duì)TCP 相析出的影響機(jī)制方面的理解和認(rèn)識(shí)有待完善。

本工作通過組織觀察，相萃取及X 射線衍射相鑒定等手段研究了持久應(yīng)力對(duì)DD10 單晶高溫合金1100℃組織穩(wěn)定性的影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)用DD10 單晶高溫合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%):Cr 4.0 ～4.5，Mo 1.4 ～2.0，W 5.8 ～6.5，Re 4.5 ～6.0，余量Ni。采用HRS 定向凝固工藝制備的［001］結(jié)晶取向的單晶試棒尺寸為φ15mm ×160mm。

單晶試棒經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)熱處理后加工成圖1 所示的持久試樣，隨后在1100℃/140MPa 條件下測(cè)試持久性能。持久試樣斷裂后，在其不同部位取試樣用于研究應(yīng)力對(duì)組織穩(wěn)定性的影響。圖1 為持久試樣及取樣位置示意圖。由于持久試樣不同部位橫截面尺寸的差異及持久試樣斷口附近出現(xiàn)頸縮，所取試樣在持久測(cè)試過程中所受應(yīng)力大小存在這樣的定性關(guān)系:σ夾頭＜σ臺(tái)肩＜σ遠(yuǎn)離斷口＜σ斷口附近。試樣的橫截面((001)面)能夠很好地反映γ'相的粗化和TCP 相析出情況，而試樣的縱截面((100)面或(010)面)能夠很好地反映γ/γ'組織的筏排化行為。為了更好地表征筏排化的程度，把單位面積內(nèi)的平均γ'筏形終端(包括γ'筏形組織的交叉和中斷)數(shù)目稱為終端密度(ρa(bǔ))?？紤]到筏形厚度的不同，引入線性終端密度(ρl)，即終端密度乘以γ'筏形厚度(λ)，以此表示γ'筏形的完善程度，其物理意義是沿γ'筏形長(zhǎng)度方向的平均終端數(shù)目。線性終端密度的值越小表示γ'筏形相對(duì)越完善［9～11］。

圖1 持久試樣及取樣位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of stress-rupture specimen and sampling positions

采用ZEISS SUPRA 55 型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡表征合金的顯微組織形貌，利用掃描電鏡所帶能譜(EDS)對(duì)TCP 相進(jìn)行成分分析，采用網(wǎng)格法測(cè)定TCP相體積分?jǐn)?shù)，采用JMatPro 軟件計(jì)算γ 相和γ'相的晶格常數(shù)。萃取合金中TCP 相的電解液的成分為90mL甲醇+10mL 鹽酸+1g 酒石酸溶液，萃取電流密度為0.04A/cm2，萃取時(shí)間為6h。通過Rigaku 2500 型X射線衍射儀對(duì)相萃取的產(chǎn)物進(jìn)行相鑒定。

2 結(jié)果與分析

2.1 持久性能及持久試樣斷裂后的顯微組織

表1 所示為DD10 單晶高溫合金在1100℃/140MPa 條件下的典型持久性能?？梢?，DD10 合金在1100℃/140MPa 條件下的平均持久壽命為253.3h，此外該合金具有較好的高溫伸長(zhǎng)率和斷面收縮率。

表1 DD10 單晶高溫合金在1100℃/140MPa條件下的持久性能Table 1 Stress rupture properties of DD10 single crystal superalloy at 1100℃/140MPa

圖2 所示為1100℃/140MPa 持久斷裂后持久試樣不同部位(001)面的顯微組織?？梢?，夾頭部位的γ'出現(xiàn)較為嚴(yán)重的粗化，枝晶干處析出較多TCP 相，其體積分?jǐn)?shù)為1.02%，見圖2a。隨著應(yīng)力增大，遠(yuǎn)離斷口和斷口附近的試樣中的γ'相出現(xiàn)更為嚴(yán)重的粗化和連接現(xiàn)象(圖2b，c)。與夾頭部位比較，TCP 相體積分?jǐn)?shù)隨著應(yīng)力的提高逐漸增大，遠(yuǎn)離斷口和近斷口處的TCP 相體積分?jǐn)?shù)分別為1.21%和1.81%。

圖2 DD10 合金1100℃/140MPa 持久斷裂后不同部位(001)面顯微組織 (a)夾頭(二次電子照片);(b)遠(yuǎn)離斷口(背散射電子照片);(c)斷口附近(背散射電子照片)Fig.2 Microstructure of (001)section at different part of stress-rupture specimen for alloy DD10 after stress-rupture at 1100℃/140MPa (a)the gripping head (secondary electron graph);(b)away from rupture surface(back-scattered electron graph);(c)near rupture surface (back-scattered electron graph)

觀察持久試樣不同位置的縱截面((100)面)微觀組織可知，夾頭部位在較低應(yīng)力下γ'相就發(fā)生了筏排化，形成了垂直于應(yīng)力軸方向的筏排組織(圖3a)，其線性終端密度為2.76 ×102mm－1。隨著應(yīng)力增加，筏排組織遭到破壞，完善程度降低(圖3b)。其中，斷口附近筏排組織與應(yīng)力方向呈一定的角度(圖3c)，這是由于該處處于加速蠕變階段，發(fā)生了頸縮致使橫截面變小，單位面積所受應(yīng)力增大并且應(yīng)力狀態(tài)由單向應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槿驊?yīng)力，從而導(dǎo)致晶格轉(zhuǎn)動(dòng)并形成與應(yīng)力軸方向呈一定角度的不規(guī)則筏排組織［12～15］。斷口附近筏排組織的線性終端密度為3.58 ×102mm－1。

圖3 DD10 合金1100℃/140MPa 持久斷裂后不同部位(100)截面顯微組織 (a)夾頭;(b)遠(yuǎn)離斷口;(c)斷口附近Fig.3 Microstructure of (100)section at different part of stress-rupture specimen for alloy DD10 after stress-rupture at 1100℃/140MPa (a)the gripping head;(b)away from rupture surface;(c)near rupture surface

2.2 持久壽命等長(zhǎng)時(shí)間時(shí)效組織

圖4 所示為合金在1100℃下經(jīng)與持久壽命等長(zhǎng)時(shí)間(253h)時(shí)效后枝晶干處的顯微組織。合金在1100℃時(shí)效253h 后枝晶干處析出體積分?jǐn)?shù)為0.82%的TCP 相，見圖4。與1100℃/140MPa 持久斷裂后試樣夾頭部位的組織相比(圖2a 和3a)可知，應(yīng)力的引入促進(jìn)TCP 相的析出和γ'相的筏排化。

圖4 DD10 合金經(jīng)1100℃/253h 長(zhǎng)時(shí)時(shí)效后的顯微組織Fig.4 Microstructure of alloy DD10 after long-term aging at 1100℃for 253h

2.3 TCP 相的萃取與XRD 鑒定

圖5a 所示為DD10 合金經(jīng)1100℃/253h 長(zhǎng)時(shí)時(shí)效后TCP 相的萃取形貌。TCP 相均呈典型的“編籃狀”結(jié)構(gòu)。持久斷裂后試樣夾頭部位的TCP 相萃取形貌見圖5b，同樣呈“編籃狀”形貌。EDS 能譜分析表明:持久斷裂前后，TCP 相均富集Re，W，Cr 和Mo 元素?？梢?，應(yīng)力不能改變TCP 相的形貌和成分富集。

1100℃/140MPa 持久斷裂后試樣夾頭和1100℃/253h 長(zhǎng)時(shí)時(shí)效試樣萃取后的TCP 相的XRD 圖譜見圖6。XRD 分析表明，兩種條件下析出的TCP 相均為μ 相，可見應(yīng)力的引入未對(duì)TCP 相的析出種類產(chǎn)生影響。由于相萃取產(chǎn)物中有γ'相殘留，XRD 圖譜中出現(xiàn)γ'相的衍射峰。

3 分析及討論

鎳基單晶高溫合金中難熔合金元素(Re，W 和Mo 等)含量過量時(shí)，合金在高溫長(zhǎng)期服役時(shí)會(huì)析出TCP 相，從而破壞組織穩(wěn)定性［1，16，17］。TCP 相析出與γ 基體存在慣習(xí)面，當(dāng)TCP 相和γ 基體之間的錯(cuò)配度較小時(shí)有利于TCP 相的形核和長(zhǎng)大［2，16，18］，而TCP/γ 的錯(cuò)配度與合金中共格存在的γ 相與γ'相的錯(cuò)配度(δ)密切相關(guān)。這是由于γ/γ'錯(cuò)配度的正負(fù)影響著γ 相和γ'相所受錯(cuò)配應(yīng)力(σmisfit)和基體γ 相晶格應(yīng)變的大小和方向［19，20］。γ/γ'錯(cuò)配度由式(1)表示:

式中aγ和aγ'分別是γ 相和γ'相的點(diǎn)陣常數(shù)。以基體γ 相為例，當(dāng)外加應(yīng)力(σapplied)為拉應(yīng)力，γ/γ'錯(cuò)配度為負(fù)時(shí)，根據(jù)式(1)，aγ'＜aγ，為了保持共格，γ相所受的錯(cuò)配應(yīng)力為壓應(yīng)力，外加拉應(yīng)力與錯(cuò)配應(yīng)力對(duì)γ 相的共同作用為:σapplied－σmisfit;而當(dāng)γ/γ'錯(cuò)配度為正時(shí)，γ 相所受的錯(cuò)配應(yīng)力為拉應(yīng)力，外加拉應(yīng)力與錯(cuò)配應(yīng)力對(duì)γ 相的共同作用為:σapplied+σmisfit。因此，外加應(yīng)力與錯(cuò)配應(yīng)力的共同作用影響著基體γ 相晶格應(yīng)變的大小和方向，從而影響TCP/γ 的錯(cuò)配度，最終影響TCP 相的形核和長(zhǎng)大。

Acharya 等［3］研究應(yīng)力對(duì)CMSX-10 鎳基單晶高溫合金組織穩(wěn)定性的影響，研究表明:1050℃下，應(yīng)力的存在抑制σ 相的析出，且σ 相的體積分?jǐn)?shù)隨著應(yīng)力的提高而減小，而σ 相的形貌、尺寸和成分則不受應(yīng)力的影響。這是由于CMSX-10 單晶合金在室溫和高溫下均具有正的γ/γ'錯(cuò)配度，外加拉應(yīng)力與錯(cuò)配應(yīng)力的共同作用使γ/σ 界面的錯(cuò)配度增大，從而抑制σ 相的形核，降低TCP 相的析出量［3］。另外，MC2單晶合金在室溫下也具有正的γ/γ'錯(cuò)配度，在高溫下其錯(cuò)配度接近于零［8］。Pessah 等研究表明，在1050℃下，應(yīng)力對(duì)MC2 合金中μ 相的析出具有抑制作用，并預(yù)測(cè)應(yīng)力對(duì)μ 相析出行為的作用受到溫度、合金成分及TCP 相固有性質(zhì)等因素的影響［8］。

圖5 DD10 合金TCP 相的萃取形貌 (a)1100℃/253h長(zhǎng)時(shí)時(shí)效;(b)1100℃/140MPa 持久斷裂后試樣夾頭部位Fig.5 Morphology of phase-extracted residues of alloy DD10(a)long-term aging at 1100℃for 253h;(b)at the gripping head after stress-rupture testing

圖6 DD10 合金1100℃/140MPa 持久斷裂后試樣夾頭和1100℃/253h 長(zhǎng)時(shí)時(shí)效試樣萃取后TCP 相的XRD 圖譜Fig.6 XRD patterns of extracted precipitates of alloy DD10 at the gripping head after stress-rupture testing and after long-term aging at 1100℃for 253h

本研究表明，與持久壽命等長(zhǎng)時(shí)間時(shí)效組織相比，持久試樣在1100℃/140MPa 條件下斷裂后各部位析出的TCP 相體積分?jǐn)?shù)均增加，這說明應(yīng)力的引入促進(jìn)了TCP 相的析出。此外，隨著應(yīng)力的增大，TCP 相含量隨之增加。JMatPro 軟件計(jì)算表明，DD10 合金在1100℃下γ 相和γ'相的點(diǎn)陣常數(shù)分別為0.36578nm 和0.36507nm，根據(jù)式(1)可以計(jì)算出，該合金在1100℃下的錯(cuò)配度為－0.19%。它在基體γ 相中產(chǎn)生的壓應(yīng)力與外加拉應(yīng)力的共同作用改變了γ 相的點(diǎn)陣常數(shù)，使基體γ 相與μ 相界面的共格程度提高，從而促進(jìn)了μ 相的析出和長(zhǎng)大。

此外，析出相的析出行為還與其形成元素的擴(kuò)散能力和擴(kuò)散機(jī)制以及析出相形核位置等因素有關(guān)。位錯(cuò)不僅為析出相提供了有效形核位置，還可視作是一個(gè)管狀的高擴(kuò)散通道。外加應(yīng)力產(chǎn)生的累積塑性變形增加了遠(yuǎn)離斷口和斷口附近試樣中的位錯(cuò)密度。雖然，Re 和W 等合金元素的擴(kuò)散系數(shù)很低，但高密度位錯(cuò)加速了這些TCP 相形成元素的擴(kuò)散，從而促進(jìn)了TCP 相的析出。因此，本工作中TCP 相的含量隨著應(yīng)力的增大而增加。

高溫加載條件下TCP 相的析出受到溫度、應(yīng)力、γ/γ'錯(cuò)配度、元素?cái)U(kuò)散、TCP 相形核位置等諸多因素的影響，目前應(yīng)力對(duì)TCP 相析出的影響機(jī)制仍存在爭(zhēng)議。本工作以現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)，結(jié)合前人的研究觀點(diǎn)從γ/γ'錯(cuò)配度、元素?cái)U(kuò)散和TCP 相形核位置等方面初步探討了1100℃/140MPa 持久條件下應(yīng)力對(duì)DD10 合金中TCP 相析出的作用機(jī)制。深入揭示該影響機(jī)制還有待在γ/γ'錯(cuò)配度實(shí)驗(yàn)測(cè)定、加載后的位錯(cuò)密度測(cè)定等方面開展進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

(1)DD10 合金1100℃/140MPa 條件下的持久壽命為253.3h，并且具有較好的高溫塑性。該合金經(jīng)1100℃/253h 長(zhǎng)時(shí)時(shí)效和1100℃/140MPa 持久斷裂后析出的TCP 相均為富集Re，W，Cr 和Mo 元素的μ 相。

(2)1100℃/140MPa 持久條件下，應(yīng)力的引入促進(jìn)μ 相的析出，并且隨著應(yīng)力的增大μ 相的析出量增加，但應(yīng)力未改變TCP 相的析出種類和形貌。

(3)1100℃/140MPa 持久條件下，應(yīng)力的引入促進(jìn)γ'相的筏排化過程，并且隨著應(yīng)力的增加，筏排組織遭到破壞，完善程度降低。

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