稀有金属 2004,(01),281-283 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2004.01.070
铼对定向合金组织和性能的影响
黄朝晖 余乾 赵希宏 邢占平 仝健民
北京航空材料研究院先进高温结构材料国防重点试验室,北京航空材料研究院先进高温结构材料国防重点试验室,北京航空材料研究院先进高温结构材料国防重点试验室,北京航空材料研究院先进高温结构材料国防重点试验室,北京航空材料研究院先进高温结构材料国防重点试验室,清华大学材料科学与工程学院 北京100095 ,北京100095 ,北京100095 ,北京100095 ,北京100095 ,北京100084
摘 要:
以一种定向合金为基础成分 , 加入不同含量的Re , 采用定向凝固工艺浇注性能试棒 , 通过SEM研究了含Re合金的微观组织特征及Re在不同相中的分布情况 , 比较了不同Re含量的室温拉伸和高温持久性能。研究结果表明 :通过加入Re可以有效提高合金的室温拉伸屈服强度和高温持久寿命 , 但室温和高温塑性有所降低。加入Re后合金的铸态组织变化不大 :γ +γ′共晶相数量随Re含量的增加而略有增多 , 并且尺寸变小。Re主要分布于γ基体中 , 在强化相γ′中的分布很少 , 并通过在γ基体中阻碍位错运动有效提高合金的高温强度
关键词:
定向合金 ;力学性能 ;微观组织 ;铼 ;
中图分类号: TG113
收稿日期: 2003-09-28
Influence of Rhenium on Microstructures and Mechanical Properties of DS Superalloy
Abstract:
The influence of different Re contents on microstructures and properties (room tensile strength and elevated temperature stress rupture) was studied. The distribution of Re in the γ and γ ′, and the microstructures of Re containing alloy were observed by SEM. The results show that Re is mainly in the γ matrix and the size of the γ + γ ′ eutectic phases of Re containing alloys are smaller than that of Re free alloy. The strength of σ 0.2 at room temperature and stress rupture life at 1100 ℃ increase obviously due to Re addition. The benefits of Re to the mechanical properties are attributed to the hindrance of dislocation movement within the γ phase matrix.
Keyword:
directionally solidified; mechanical property; microstructure; rhenium;
Received: 2003-09-28
随着航空发动机性能的提高, 对涡轮叶片材料的耐温能力提出了更高的要求。 国外发展的第二代定向和单晶高温合金已经广泛用于制造军用、民用发动机涡轮叶片
[1 ,2 ]
, 这些合金的共同特点是含有3%的Re, 正是由于Re的加入, 提高了合金的高温蠕变强度。 关于Re在单晶合金中作用的研究比较多
[3 ,4 ,5 ]
: Re除了可以明显提高单晶合金的蠕变强度外, 还可以在一定程度上改善其疲劳性能; 由于Re的加入, 使低Cr 的二代、三代单晶合金仍然具有良好的抗氧化性能, 因为Re富集在氧化物下面的贫γ′区, 提高了其机械强度, 同时减慢了其他元素向氧化层的扩散, 所以增加了氧化层的稳定性; 但Re>5%时, 又会增加合金的组织不稳定性, 形成TCP相和SRZ区。
目前, 国内正在研制的第二代单晶合金DD6中加入了2%的Re
[6 ,7 ]
, 而含Re的定向合金还未研制, 所以开展Re在定向合金中作用的研究很有意义。 本文以一种定向柱晶合金为基础成分, 初步探讨不同Re含量对合金微观组织及典型力学性能的影响, 为发展含Re定向合金提供参考。
1 材料及方法
试验用基础合金选用Ni-Cr-W-Mo-Ta-Co-Hf系定向合金, 真空感应熔炼 (VIM) , 浇注成Φ 80 mm的钢锭。 然后在定向凝固炉中浇注定向柱晶试棒, 同时添加不同含量的铼, 得到4种不同铼含量的定向柱晶性能试棒, 实测的Re含量见表1。
为提高合金力学性能, 对试棒进行热处理, 包括固溶和时效, 热处理工艺为:1160 ℃/2 h+1280 ℃/2 h/AC+1050 ℃/4 h/AC。 将热处理后的试棒加工成力学性能试样, 测试其室温拉伸和高温持久性能。 采用光学显微镜 (OM) 和扫描电镜 (SEM) 观察合金的显微组织的变化。
2 结果及讨论
2.1 不同铼含量对微观组织的影响
合金中加入Re后, 其铸态组织如图1, γ/γ′共晶相的尺寸减小, 但共晶相数量随着Re含量的增加而增多, 并且在共晶相心部的γ相增加。
EDX分析结果表明, Re主要分布在γ基体中, 在γ′相中很少。 在γ基体中Re形成0.1 μm尺寸的原子簇团, 使γ中的位错运动被限制, 从而强化了合金。
当Re含量增加至3.56%时, 其组织偏析很严重, 如图2。 即使是热处理后, 枝晶依然清晰。 Re
表1 定向凝固试棒中的Re含量 (%, 质量分数) Table 1 Re content of DS billets (%, mass fraction)
样品
1
2
3
4
Re 含量 (%, 质量分数)
0.62
1.56
2.32
3.56
图1 不同铼含量合金的铸态组织 (a) Re含量为0; (b) Re含量为1.56% Fig.1 Microstructures of as-casted alloys
图2 Re含量为3.56%合金的铸态组织 (a) 和热处理 (b) 后的不均匀组织 Fig.2 Microstructure of alloy containing 3.56% of Re
是TCP相形成元素, 当含W, Re的TCP相达到一定数量时, 将降低合金的蠕变强度
[3 ]
, 在 Re富集处, 极易形成TCP相。
2.2 室温拉伸性能
不同Re含量的室温拉伸性能见图3。 随着Re含量的增加, 室温拉伸的屈服强度σ0.2 基本呈线性增长, 而σb 增加的不明显。
图3 合金室温拉伸性能与Re含量的关系 Fig.3 Tensile strength at room temperature with different Re contents
例如Re从1.56%增至2.32%, σ0.2 分别提高了18%和21.4%, 但塑性随着Re的加入明显降低。
2.3 高温持久性能
不同铼含量合金的1100 ℃/70 MPa持久寿命见图4, 可见合金加入Re后高温持久寿命有显著的提高, 而高温下的延伸率下降不明显。 提高应力水平 (1100 ℃/100 MPa) , Re含量3.56%的合金仍然具有100 h以上的寿命。
图4 不同Re含量合金的持久寿命 Fig.4 Stress rupture life of alloy with different containing of Re
Re提高合金高温强度的主要原因是: Re在基体中的短程有序分布, 使高温时位错运动被限制在基体通道内。 进一步的原子探针分析发现: Re分布在γ′邻近处, 由于Re是低扩散元素, 它抑制了γ′的长大和粗化, 从而使合金在高温下保持很好的强度。 高温持久试样断裂后的纵截面组织见图5, 不含Re的合金截面上, γ′在高温及载荷作用下,
图5 1100 ℃/70 MPa持久试样纵截面组织 (a) 1100 ℃/70 MPa/15 h, 0%Re; (b) 1100 ℃/70 MPa/120 h, 1.56% Re Fig.5 Microstructures of stress rupture sample
严重粗化, 持久寿命只有15~20 h; 而含Re合金 (1.56%, 质量分数) 在120 h断裂后的截面内, γ′形成了规则的筏排组织, 使合金获得了很好的高温强度
[3 ]
。
参考文献
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