DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2002.01.012

CMSX-2合金位错组态与凝固组织的关系

李金山 张万明 寇宏超 李双明 杜炜 刘林 傅恒志

  西北工业大学凝固技术国家重点实验室  

  西北工业大学凝固技术国家重点实验室 西安710072  

摘 要：

对CMSX 2合金粗枝晶、细枝晶以及超细枝晶单晶持久变形后的位错组态进行了研究。结果表明 :超细枝晶单晶持久变形过程中在γ/γ′相界上形成的位错网络比粗枝晶单晶的均匀 ;γ相内部形成的位错密度减小 , 分布也更加均匀 , 多位错滑移程度降低 ;切过γ′的位错明显减少 , 反映出高温下合金抵抗蠕变变形的能力提高。

关键词：

高温合金;定向凝固;持久性能;位错;凝固组织;

中图分类号： TG113.1

收稿日期：2001-06-08

基金：陕西省自然科学基金资助项目;国家重点实验室访问学者基金资助项目;

Relationship between solidified structure and dislocation configuration in CMSX-2 superalloy

Abstract：

The dislocation configuration in coarse dendrite and fine dendrite as well as superfine dendrite single crystals of CMSX 2 superalloy after rupture deformation was investigated. The results show that the dislocation nets formed at γ′/γ phase interface are more integrated in superfine dendrite single crystals than those in coarse dendrite single crystals. In addition, the distribution of dislocations in γ′ phase of superfine dendrite single crystals is more uniform and the number of dislocations cutting γ′ phase is fewer than that in coarse dendrite single crystals. This reveals that superfine superalloy has higher ability in resisting creep deformation than coarse dendrite superalloy does.

Keyword：

CMSX 2 superalloy; directional solidification; solidified structure; rupture properties; dislocation;

Received： 2001-06-08

在单晶高温合金的持久变形过程中, 位错的运动方式和位错组态对合金的蠕变行为和性能影响极大, 因此相关的研究开展得很普遍。 但是凝固组织对单晶高温合金持久变形位错组态的影响还鲜有报道。 郭喜平等人 ^[1,2,3] 首先利用NASAIR100合金开展了相关研究, 结果显示: 在早期变形阶段, 位错以位错对的形式切过γ′相, 未发现位错绕过γ′运动, 平面和胞状界面单晶中出现穿过γ′和γ的不均匀变形带以及某些滑移面上的位错缠结, 粗枝晶和细枝晶单晶中, γ′内的位错分布均匀, 且γ′较难被位错切过; 进入中期变形阶段后, γ′内的位错密度增大, γ′/γ相界上的位错网络密度也进一步增大。 可见, 高温合金凝固组织变化确实影响着持久变形位错组态。 为此, 作者将利用所获得的CMSX-2合金粗枝晶、 细枝晶以及超细枝晶单晶持久变形组织来开展进一步的研究。

1实验

采用的CMSX-2单晶高温合金的成分、 定向凝固过程与前期研究工作 ^[4,5,6,7] 相同。 单晶试样的热处理规范为1 315 ℃/4 h, AC+1 080 ℃/4 h, AC+870 ℃/20 h, AC (AC: Air cooling) 。 持久性能测试在1 050 ℃, 160 MPa条件下进行。 利用线切割在持久试样纵轴线位置附近纵剖出约0.4 mm厚的薄片两片, 先在金相砂纸上手工减薄至50 μm, 然后在薄片上截取约0.3 mm×0.4 mm大小的小片进行双喷电化学减薄, 不同凝固组织试样间的截取位置是相互对应的, 减薄液为10%HClO₄+90%C₂H₅OH。 在TEM下选取不同凝固组织单晶多区域内的位错组态进行了观察, 并选取有代表性的观察结果加以说明。

2结果与分析

2.1不同凝固组织单晶中典型的位错组态特征

持久测试显示, 粗枝晶单晶 (初次枝晶臂间距d=245 μm) 的平均持久寿命为67 h, 细枝晶单晶 (d=82 μm) 的为108 h, 超细枝晶单晶 (d=45 μm) 的为131 h。 可见随着凝固组织的细化, 合金的持久性能显著提高。

粗枝晶单晶中的典型位错组态特征如图1所示, 4个视场中位错组态相差很大, 从柏氏矢量分析和位错线方向判断, 有大量的三类 (a/2) 〈110〉位错参与γ的变形。 图1 (a) 和 (b) 中显示筏形组织层片较规则的区域内位错密度小, 图1 (c) 和 (d) 中则显示筏型组织不规则的区域位错密度大, 变形比较集中, 而且局部区域中有平直的位错滑移条带穿过多个γ和γ′。 无论是位错密集区还是稀疏区, 在粗枝晶单晶的γ′内都存在位错, 并且在合金位错密集区γ′内位错较多, 说明有大量的位错切过γ′。 此外, 粗枝晶单晶中γ′/γ相界上的位错网络局部缠结比较明显, 与此相邻的γ′内往往有位错存在。

细枝晶单晶各视场γ内的位错分布较均匀, 位错密度较粗枝晶单晶的小, 但局部也存在集中位错滑移形成的位错排, 如图2所示。 图2 (a) 和 (c) 中γ内有位错滑移带从γ延伸穿过γ′, 带内因位错密度很高而呈黑色衬度, 这种现象在郭喜平的研究 ^[1,2] 中也比较典型。 图2 (b) 还显示, γ内某一滑移面上的位错排延伸至γ′内, 从而向γ′内引入位错。 γ′/γ相界上的位错网络分布比较均匀, 没有明显的位错缠结出现。 γ′内的位错不多, 位错线方向说明有三类 (a/2) 〈110〉位错参与γ的变形, 但某一类方向的位错较多, 说明参与程度不太一致。

图1 粗枝晶单晶中的位错组态

Fig.1 Configuration of dislocations in single crystal with coarse dendrite structures

图2 细枝晶单晶中的位错组态

Fig.2 Configuration of dislocations in single crystal with fine dendrite structures

图3显示超细枝晶单晶中γ内位错密度较低, 并且明显有一类 (a/2) 〈110〉位错参与γ变形的程度很高。 γ′/γ相界上的位错网络分布均匀, 缠结较少。 图3 (b) 显示有滑移带穿过γ和γ′相。 γ′内位错很少。 图3 (d) 显示γ′内的位错方向与γ内主要位错方向一致, 表明这些位错可能来自于γ内。

总的看来, 随着枝晶的细化, γ内的位错密度降低, 分布均匀性增加, 参与合金变形的多位错滑移程度降低; 切过γ′的位错减少; γ′/γ相界上的位错网络分布更均匀, 缠结减少。

2.2分析与讨论

凝固组织造成位错组态特征差异的内在原因是组织的均匀性。 研究表明, 粗枝晶单晶组织均匀性差, 筏型组织完善程度在不同区域相差很大。 在完善度高的区域, 位错能在γ内比较均匀的开动滑移并聚集在γ′/γ相界上形成位错网络; 在完善程度低的区域, γ′层片较短以及排列方向与外应力方向夹角减小, 从而增加了γ垂直通道数量, 因此位错受γ′阻挡作用降低 ^[8,9] , 合金变形程度增加, 导致局部内应力增大, 促使γ内发生多位错滑移, 位错滑移程度提高并通过相界向γ′延伸, 同时局部位错网络缠结增大造成相界应力集中, 将位错引入γ′相。 当大量位错切过γ′后变形进一步加剧, 合金的抗蠕变能力下降, 所以粗枝晶单晶中存在着局部位错密度大, 变形集中的位错组态特征。

枝晶组织细化后组织均匀性提高, 筏型组织的完善程度和均匀程度增加, 因此合金中各区域的变形程度更加接近, 均匀分布的变形使各γ间以及内部的应力分布均匀, 导致位错滑移得以在γ内较均匀地进行, 同时应力的均匀分布也使γ内的变形主要由有利取向的滑移系开动来参与, 所以多位错滑移程度开始减小。 集中滑移减少后, 向γ′内引入的位错减少, 位错主要在相界上形成均匀分布的位错网络, 并进一步阻碍位错切入γ′, 从而提高了抗蠕变能力 ^[5] 。

图3 超细枝晶单晶中的位错组态

Fig.3 Configuration of dislocations in single crystal with superfine dendrite structures

当然, 由于γ′相与γ存在共格关系, 所以γ′与γ之间在适当的局部应力集中作用下易发生共面滑移, 形成长的位错滑移带穿过多个γ和γ′相, 这种情况在任何凝固组织单晶中均出现而且难以避免, 但随着组织均匀性的提高, 合金内局部应力集中程度减小, 因此γ′/γ界面间的共面滑移趋势有所降低。

3结论

1) CMSX-2合金持久变形过程中, γ′内的位错来自于γ内位错集中滑移带向γ′的延伸, 或γ′/γ′相界局部位错网络高度缠结引发相界应力集中。

2) 随着凝固组织的细化, γ内的位错密度降低, 分布均匀性增加, 参与合金变形的多位错滑移程度降低; 切过γ′的位错减少; γ′/γ相界上的位错网络分布更加均匀, 缠结减少, 阻碍位错运动的能力增加, 因此合金的高温持久性能得以提高。

3) 凝固组织对合金位错组态影响的内在原因是组织均匀性对合金均匀变形产生作用。

参考文献

[1] 　郭喜平.单晶高温合金的凝固界面形态与组织性能及蠕变断裂的关系[D].西安:西北工业大学, 1992.　　GUOXi ping.Relationshipsbetweensolid liquidinter facemorphologiesandthemicrostructure, mechanicalpropertiesandcreepfracturemechanismsofanickel basesinglecrystalsuperalloyNASAIR100[D ].Xi′an:NorthwesternPolytechnicalUniversity, 1992.

[2]　GuoXP , FuHZ , SunJH , etal.Deformedmicrostruc tureofthesingle crystalsuperalloyNASAIR100at1050℃[J].MetallTrans, 1999, 30A :2843.

[3]　HarrisK , EricksonGL , SchewerRE .HighTempera tureAlloysforGasTurbineandotherApplication[M ].Holland.DReiderPublishingCompany, 1986.709.

[4]　杜　炜, 魏朋义, 李建国, 等.镍基单晶高温合金DD2高梯度定向凝固行为[J].航空材料学报, 1997, 17:1.　　DUWei, WEIPeng yi, LIJian guo, etal.Highgridentanddirectionalsolidificationbehaviourofanickel basesinglecrystalsuperalloyDD2[J].JofAviationMateri als, 1997, 17:1.

[5]　杜　炜, 魏朋义, 李建国, 等.中速生长条件下单晶高温合金组织及偏析研究[J].金属学报, 1998, 34:356.　　DUWei, WEIPeng yi, LIJian guo, etal.Microstruc tureandmicrosegregationofNi basesinglecrystalsuper alloysolidifiedatmediumcoolingrate[J].ActaMetallSinica, 1998, 34:356.

[6]　DuW , LiJG , FuHZ .Solidificationandmicrostructurebehaviorsofnickel basesinglecrystalsuperalloysolidifiedatmediumcoolingrate[J].TransNonferrousMetSocChina, 1998, 8 (1) :83.

[7]　DuW , LiJS , LiJG , etal.Dendriterefiningandeu tectictransformationbehaviorofnickel basesinglecrystalsuperalloy[J].ChineseJournalofAeronautics, 1998, 11 (1) :61.

[8]　ReedRC , Matan, N , CoxDC , etal.CreepofCMSX 4superalloysinglecrystals:effectsofraftingathightem perature[J].ActaMetallMater, 1999, 47:3367.

[9]　NabarroFRN .Raftinginsuperalloys[J].MetallTrans, 1996, 27A :513.