小角度晶界對(duì)DD5鎳基單晶高溫合金力學(xué)性能的影響

秦健朝， 崔仁杰， 黃朝暉， 趙金乾， 張毅鵬， 宗 毳， 陳升平

(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)

小角度晶界對(duì)DD5鎳基單晶高溫合金力學(xué)性能的影響

秦健朝， 崔仁杰， 黃朝暉， 趙金乾， 張毅鵬， 宗 毳， 陳升平

(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)

采用籽晶法制備了二代鎳基單晶高溫合金DD5小角度晶界試樣，研究小角度晶界對(duì)DD5合金力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：在870 ℃中溫拉伸中，晶界角度小于16.1°時(shí)，合金抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度無(wú)明顯變化；晶界角度小于11.4°時(shí)，伸長(zhǎng)率維持在15%以上；晶界角度大于11.4°后，伸長(zhǎng)率開(kāi)始快速下降；在980 ℃/250 MPa 持久條件下，當(dāng)晶界角度小于5.1°時(shí)，持久壽命維持在140 h以上；當(dāng)晶界角度大于5.1°時(shí)，持久壽命隨晶界角度增大開(kāi)始緩慢下降，至14.8°時(shí)，持久壽命仍保持為原來(lái)的85%；當(dāng)晶界角度大于14.8°后持久壽命開(kāi)始快速下降；在1093 ℃/158 MPa持久條件下，當(dāng)晶界角度小于5.1°時(shí)，持久壽命維持在30 h以上；當(dāng)晶界角度大于5.1°時(shí)，持久壽命隨晶界角度增大而下降。

高溫合金；小角度晶界；持久壽命；拉伸性能

單晶高溫合金及其渦輪葉片作為20世紀(jì)80年代以來(lái)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重大關(guān)鍵技術(shù)之一，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用到先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)[1-5]，但由于渦輪葉片結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在單晶渦輪葉片定向凝固過(guò)程中不可避免的出現(xiàn)晶界缺陷[6-7]，導(dǎo)致單晶渦輪葉片的合格率降低，增大了制造成本。晶界的存在不僅會(huì)導(dǎo)致晶界區(qū)域的元素偏析、化合物析出、高溫下強(qiáng)度降低[8]，而且晶界兩側(cè)的晶粒存在晶體取向差(晶界角度)，取向差的大小直接決定了含有晶界的單晶葉片力學(xué)性能，影響單晶葉片的應(yīng)用和服役。然而從工藝上避免單晶葉片出現(xiàn)晶界的成本和難度極高，最為有效的方法是引入C,B和Hf等微量晶界強(qiáng)化元素來(lái)強(qiáng)化晶界[5,9-10]，減小晶界對(duì)合金性能的影響，通常晶界角度較小時(shí)單晶高溫合金力學(xué)性能的下降有限[5,11-12]，依然能夠滿足應(yīng)用要求。因此，對(duì)于每一種單晶高溫合金來(lái)說(shuō)，均需研究晶界角度變化對(duì)合金力學(xué)性能的影響，才能保證單晶葉片的質(zhì)量。

為滿足某航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的需求，研制了第二代單晶高溫合金DD5并獲得了應(yīng)用。為了強(qiáng)化晶界，DD5合金中添加了適量的晶界強(qiáng)化元素C，B和Hf[13-14]。為了探討晶界角度變化對(duì)合金力學(xué)性能的影響，本工作選擇了870 ℃拉伸實(shí)驗(yàn)、980 ℃/250 MPa和1093 ℃/158 MPa持久實(shí)驗(yàn)來(lái)研究不同晶界角度的晶界對(duì)DD5合金力學(xué)性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)用合金采用同一爐由真空感應(yīng)熔煉而成的φ80 mm的DD5母合金錠(>300 kg)，其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)為Al 6.2，Cr 7.0，Ta 6.5，W 5.0，Co 7.5，Mo 1.5，Re 3.0，Hf 0.15，C 0.05，B<0.01，余量為Ni。

利用籽晶法制備雙晶試板。將兩個(gè)已知取向的籽晶按所需角度安置在陶瓷殼型的底部，利用定向凝固法澆鑄出一系列晶界角度小于18°的雙晶試板，試板尺寸為15 mm×80 mm×120 mm。用真空熱處理爐對(duì)鑄態(tài)試板進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)熱處理，熱處理制度如下：固溶處理，1300 ℃/2 h，快冷；一級(jí)時(shí)效，1120 ℃/4 h，快冷；二級(jí)時(shí)效，1080 ℃/4 h，快冷；三級(jí)時(shí)效，900 ℃/4 h，快冷。

從晶界附近切取試樣，經(jīng)研磨拋光后用JSM-6040掃描電子顯微鏡中的背散射電子衍射分析(EBSD)測(cè)量晶界兩側(cè)晶粒取向及晶界角度，用二次電子(SEM)及背散射電子(BSE)觀測(cè)晶界組織，用能譜儀(EDS)分析化合物成分。870 ℃拉伸、980 ℃/250 MPa和1093 ℃/158 MPa持久數(shù)據(jù)均為3根試樣的平均值并采用SEM進(jìn)行斷口分析，性能試樣的取樣示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 雙晶試樣制備示意圖[5]Fig.1 Schematic diagram of the preparation of bicrystal specimen[5]

2 結(jié)果與分析

2.1 雙晶試樣的小角度晶界組織

圖2顯示了DD5合金經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)熱處理后小角度晶界附近的典型組織。晶粒兩側(cè)γ′相呈規(guī)則立

方狀，只是少了立方體的一部分，與γ相基體保持共格關(guān)系，γ′相平均尺寸為0.5 μm。在小角度晶界的某些區(qū)域上分布有塊狀的碳化物，經(jīng)能譜分析，為富含Ta和Hf的碳化物。

DD5合金添加了晶界強(qiáng)化元素C，B，Hf，使得合金的初熔點(diǎn)與γ′相完全回熔溫度間的范圍較窄，為避免初熔而降低了固溶溫度，導(dǎo)致枝晶間粗大γ′相不能完全回熔，甚至?xí)袀€(gè)別殘留共晶[13]。而小角度晶界在鑄態(tài)時(shí)處于兩枝晶最后凝固的位置，是粗大γ′相和共晶較為集中的區(qū)域。但史振學(xué)等[11]認(rèn)為小角度晶界在熱處理過(guò)程中為了降低界面能會(huì)逐漸趨于平直，離開(kāi)原始位置，因此經(jīng)過(guò)熱處理后在晶界附近沒(méi)有發(fā)現(xiàn)粗大γ′相或殘留共晶。

2.2 雙晶試樣的力學(xué)性能

圖3為晶界角度對(duì)DD5 合金870 ℃拉伸力學(xué)性能的影響。晶界角度小于16.1°時(shí)，抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度無(wú)明顯變化(圖3(a))。晶界角度小于11.4°時(shí)，伸長(zhǎng)率維持在15%以上；晶界角度大于11.4°后，伸長(zhǎng)率開(kāi)始快速下降(圖3(b))。斷面收縮率從0°開(kāi)始即隨著晶界角度的增加而不斷下降。而另一種C,Hf含量較少的二代單晶合金在晶界角度達(dá)到12°后760 ℃拉伸和850 ℃拉伸中的抗拉強(qiáng)度都有所下降[11-12]。

圖4顯示了晶界角度對(duì)DD5合金980 ℃/250 MPa持久壽命、伸長(zhǎng)率以及斷面收縮率的影響。當(dāng)晶界角度小于5.1°時(shí)，持久壽命維持在140 h以上；當(dāng)晶界角度大于5.1°后，持久壽命隨晶界角度的增加開(kāi)始緩慢下降，至14.8°時(shí)，持久壽命仍保持為原來(lái)的85%；當(dāng)晶界角度大于14.8°后，持久壽命開(kāi)始快速下降(圖4(a))。表征試樣塑性的伸長(zhǎng)率和斷面收縮率則隨著晶界角度的增加而持續(xù)下降。

圖5顯示了晶界角度對(duì)DD5合金試樣1093 ℃/158 MPa持久壽命、伸長(zhǎng)率以及斷面收縮率的影響。晶界角度小于5.1°時(shí)，試樣的持久壽命維持在30 h以上。當(dāng)晶界角度大于5.1°后，試樣持久壽命隨晶界角度的增加而逐漸下降。試樣伸長(zhǎng)率和斷面收縮率從0°開(kāi)始就隨著晶界角度的增加而持續(xù)下降，當(dāng)晶界角度達(dá)到15°后，試樣的伸長(zhǎng)率和斷面收縮率趨近于0%。

圖3 晶界角度對(duì)試樣870 ℃拉伸性能的影響Fig.3 Influences of grain boundary angle on tensile properties under 870 ℃ (a)strength；(b)elongation and percentage reduction of area

圖4 晶界角度對(duì)試樣980 ℃/250 MPa持久性能的影響Fig.4 Influences of grain boundary angle on stress rupture properties under 980 ℃/250 MPa (a)life；(b)elongation and percentage reduction of area

圖5 晶界角度對(duì)試樣1093 ℃/158 MPa持久性能的影響Fig.5 Influences of grain boundary angle on stress rupture properties under 1093 ℃/158 MPa (a)life；(b)elongation and percentage reduction of area

在二代單晶高溫合金中，DD5合金含有較多的晶界強(qiáng)化元素。鄭運(yùn)榮等[15]認(rèn)為較高的Hf含量有助于提高金屬液的流動(dòng)性，增強(qiáng)補(bǔ)縮能力，減少顯微疏松，延緩裂紋萌生。郭建亭等[16]認(rèn)為B和C強(qiáng)烈偏聚于晶界，排擠S，P等有害元素，增強(qiáng)晶界結(jié)合力。 Chen等[9]認(rèn)為晶界上的塊狀碳化物能夠阻礙合金的晶界遷移，增加沿晶斷裂所需能量。在這些晶界強(qiáng)化元素的共同作用下，DD5合金雙晶試樣取得了良好的力學(xué)性能。

2.3 試樣斷口的宏觀及微觀形貌

圖6顯示了DD5合金870 ℃拉伸實(shí)驗(yàn)中三組典型試樣的斷口形貌。圖6(a)試樣晶界角度為3.0°，試樣宏觀斷面平整，呈滑移開(kāi)裂特征，斷面與應(yīng)力軸夾角約45°，試樣伸長(zhǎng)率為15.4%，斷面收縮率為20.0%，表明試樣斷口附近發(fā)生了顯著的塑性變形，為典型的塑性斷裂。其余晶界角度小于5.1°試樣的斷口形貌也與圖6(a)相一致。圖6(b)試樣晶界角度為8.8°，宏觀上在心部可以看出枝晶形貌，邊緣為滑移引起的平整斷面，微觀上在枝晶形貌中間可以發(fā)現(xiàn)不規(guī)則的凹坑，這是存在于枝晶間的顯微疏松。在金屬凝固過(guò)程中，枝晶間最后凝固，由于補(bǔ)縮通道大多已經(jīng)閉合，因此最后凝固區(qū)域得不到補(bǔ)縮，形成顯微疏松[17-19]。裂紋易從疏松處萌生和擴(kuò)展，導(dǎo)致枝晶斷裂。圖6(c)試樣晶界角度為16.1°，枝晶形貌斷裂區(qū)域進(jìn)一步增大，僅有邊緣少量滑移斷裂區(qū)域，相對(duì)應(yīng)的合金中溫拉伸伸長(zhǎng)率在晶界角度大于11.4°后快速下降。

圖7顯示了DD5合金在980 ℃/250 MPa條件下三組典型試樣的斷口形貌。圖7(a)試樣晶界角度為3.0°，試樣伸長(zhǎng)率為22.1%，斷面收縮率為25.0%，發(fā)生了顯著的塑性變形。試樣斷面十分粗糙，分布有大量韌窩，韌窩通過(guò)撕裂棱相互連接，為典型的塑性斷裂。其余晶界角度小于5.1°試樣的斷口形貌也與圖7(a)相一致。圖7(b)試樣晶界角度為8.8°，宏觀上可以初步看出枝晶形貌，微觀上既有枝晶斷裂形貌，又有較多塑性斷裂導(dǎo)致的韌窩形貌。圖7(c)試樣晶界角度為16.1°，試樣沒(méi)有明顯頸縮，宏觀上枝晶結(jié)構(gòu)清晰而完整，微觀上充滿枝晶斷裂形貌，極少有韌窩出現(xiàn)。圖7(b)和圖7(c)之間的變化代表了晶界角度從5.1°逐漸升高時(shí)試樣斷口的變化趨勢(shì)。相對(duì)應(yīng)的合金持久壽命從晶界角度大于5.1°后開(kāi)始緩慢下降，大于14.8°后快速下降。

圖6 試樣870 ℃中溫拉伸宏觀與微觀斷口形貌Fig.6 Microstructures and macrostructures (insets) showing the fracture surfaces after 870 ℃ tensile tests (a)θ=3.0°；(b)θ=8.8°；(c)θ=16.1°

圖7 試樣980 ℃/250 MPa持久宏觀與微觀斷口形貌Fig.7 Microstructures and macrostructures (insets) showing the fracture surfaces after 980 ℃/250 MPa rupture tests (a)θ=3.0°；(b)θ=8.8°；(c)θ=16.1°

圖8 試樣1093 ℃/158 MPa持久宏觀與微觀斷口形貌Fig.8 Microstructures and macrostructures (insets) showing the fracture surfaces after 1093 ℃/158 MPa rupture tests (a) θ=3.0°；(b)θ=8.8°；(c)θ=16.1°

圖8顯示了DD5合金1093 ℃/158 MPa持久條件下三組典型試樣的斷口形貌。圖8(a)試樣晶界角度為3.0°，試樣伸長(zhǎng)率為16.2%，斷面收縮率為30.1%，發(fā)生了顯著的塑性變形。試樣斷面分布有大量韌窩以及撕裂棱，為典型的塑性斷裂。其余晶界角度小于5.1°試樣的斷口形貌也與圖8(a)相一致。圖8(b)試樣晶界角度為8.8°，宏觀上在心部看出枝晶形貌，微觀上既有枝晶斷裂形貌，又有塑性斷裂導(dǎo)致的韌窩形貌。圖8(c)試樣晶界角度為16.1°，試樣宏觀斷面枝晶結(jié)構(gòu)清晰而完整，微觀上為枝晶斷裂形貌。圖8(b)和圖8(c)之間的變化代表了晶界角度從5.1°逐漸升高時(shí)試樣斷口的變化趨勢(shì)。相對(duì)應(yīng)的合金持久壽命從晶界角度大于5.1°后開(kāi)始下降。

3 結(jié) 論

(1)在870 ℃拉伸中，晶界角度小于16.1°時(shí)，合金抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度無(wú)明顯變化。晶界角度小于11.4°時(shí)，伸長(zhǎng)率維持在15%以上；晶界角度大于11.4°后，伸長(zhǎng)率開(kāi)始快速下降。

(2)在980 ℃/250 MPa 持久條件下，當(dāng)晶界角度小于5.1°時(shí)，持久壽命維持在140 h以上；當(dāng)晶界角度大于5.1°時(shí)，持久壽命隨晶界角度增大開(kāi)始緩慢下降，至14.8°時(shí)，持久壽命仍保持為原來(lái)的85%；當(dāng)晶界角度大于14.8°后持久壽命開(kāi)始快速下降。

(3)在1093 ℃/158 MPa持久條件下，當(dāng)晶界角度小于5.1°時(shí)，持久壽命維持在30 h以上；當(dāng)晶界角度大于5.1°時(shí)，持久壽命隨晶界角度增大而下降。

(4)在870 ℃拉伸、980 ℃/250 MPa 持久以及1093 ℃/158 MPa持久條件下，晶界角度小于5.1°試樣的斷裂方式為塑性斷裂，大于5.1°后出現(xiàn)枝晶斷裂特征，且隨著晶界角度的進(jìn)一步增大，枝晶斷裂特征逐漸增多。

[1] GELL M, DUHL D N, GIAMEI A F. The development of single crystal superalloy turbine blades[C]∥TIEN J K. Superalloys 1980. Metals Park, OH: American Society for Metals, 1980: 205-214.

[2] BROOMFIELD R W, FORD D A, BHANGU J K,etal. Development and turbine engine performance of three advanced rhenium containing superalloys for single crystal and directionally solidified blades and vanes [J]. Transactions of the ASME, 1998, 120: 596-608.

[3] WALSTON W S, O’HARA K S, ROSS E W,etal. ReneN6: Third generation single crystal superalloy[C]∥KISSINGER R D. Superalloys 1996. Warrendale, PA: TMS, 1996: 27-34.

[4] HARRIS K, ERICHSON G L. Development of the rhenium containing superalloys CMSX-4 & CM186LC for single crystal blade and directionally solidified vane applications in advanced turbine engines [C]∥ANTOLOVICH S D, STUSRUD R W, MACKAY R A,etal. Superalloys 1992. Warrendale, PA: TMS, 1992:297-306.

[5] HARRIS K, WAHL J B. Improved single crystal superalloys CMSX-4(SLS)[La+Y] and CMSX-486 [C]∥GREEN K A, HARADA H, HOWSON T E,etal. Superalloys 2004. Warrendale, PA: TMS, 2004: 45-52.

[6] YUTAKA K, TOSHIHARU K, TADAHARU Y,etal. Development of next-generation Ni-base single crystal superalloy [C]∥GREEN K A, HARADA H, HOWSON T E,etal. Superalloys 2004. Warrendale, PA: TMS, 2004: 35-43.

[7] POLLOCK T M, MURPHY W H, GOLDMAN E H,etal. Grain defect formation during directional solidification of nickal base single crystals[C]∥ANTOLOVICH S D, STUSRUD R W, MACKAY R A,etal. Superalloys 1992. Warrendale, PA: TMS, 1992:125-134.

[8] TADAO W, SADAHIRO T, SHIGEAKI K,etal. Structure-dependent grain boundary deformation and fracture at high temperatures[J]. Materials Science and Engineering: A, 2005, 410:140-147.

[9] CHEN Q Z, JONES N, KNOWLES D M. The grain boundary microstructures of the base and modified RR2072 bicrystal superalloys and their effects on the creep properties[J]. Materials Science and Engineering:A, 2004,385:402-418.

[10] ROSS E W, O’HARA K S. Rene N4: A First generation single crystal turbine airfoil alloy with improved oxidation resistance, low angle boundary strength and superior long time rupture strength[C]∥KISSINGER R D. Superalloys 1996. Warrendale, PA: TMS, 1996: 19-25.

[11] 史振學(xué), 李嘉榮, 劉世忠, 等. DD6單晶高溫合金扭轉(zhuǎn)小角度晶界的拉伸性能[J]. 航空材料學(xué)報(bào), 2009,29(3):88-92.

(SHI Z X, LI J R, LIU S Z,etal. Tensile properties of twist low angle boundary DD6 of single crystal superalloy[J]. Journal of Aeronautical Materials, 2009,29(3):88-92.)

[12] 趙金乾, 李嘉榮, 劉世忠, 等. 小角度晶界對(duì)單晶高溫合金DD6拉伸性能的影響[J]. 材料工程, 2008(8):73-76.

(ZHAO J Q, LI J R, LIU S Z,etal. Effects of low angle grain boundaries on tensile properties of single crystal superalloy DD6[J]. Journal of Materials Engineering, 2008(8):73-76.)

[13] 崔仁杰, 黃朝暉, 張毅鵬, 等. 980 ℃長(zhǎng)期時(shí)效對(duì)第二代鎳基單晶高溫合金DD5組織與性能的影響[J]. 材料熱處理學(xué)報(bào), 2016(6):78-83.

(CUI R J, HUANG Z H, ZHANG Y P,etal. Effect of 980 ℃ long-term aging on microstructure and properties of DD5 single crystal Ni-base superalloys[J]. Transactions of Materials and Heat Treatment, 2016(6):78-83.)

[14] 曹亮,周亦胄,金濤, 等. 晶界角度對(duì)一種鎳基雙晶高溫合金持久性能的影響[J]. 金屬學(xué)報(bào), 2014(1):11-18.

(CAO L, ZHOU Y Z, JIN T,etal. Effect of grain boundary angle on stress rupture properties of a Ni-based crystal superalloy[J]. Acta Metallurgica Sinica, 2014(1):11-18.)

[15] 鄭運(yùn)榮, 蔡玉林, 阮中慈, 等. Hf和Zr在高溫材料中作用機(jī)理研究[J]. 航空材料學(xué)報(bào), 2006;26(3): 25-34.

(ZHENG Y R, CAI Y L, RUAN Z C,etal. Investigation of effect mechanism of hafnium and zirconium in high temperature materials[J]. Journal of Aeronautical Materials, 2006;26(3): 25-34.)

[16] 郭建亭. 幾種微量元素在高溫合金中的作用與機(jī)理[J]. 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào), 2011(3):465-474.

(GUO J T. Effects of several minor elements on superalloys and their mechanism[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2011(3):465-474.)

[17] GOLDSCHMIDT D, PAUL U, SAHM P R. Porosity clusters and recrystallization in single-crystal components[C]∥ ANTOLOVICH S D, STUSRUD R W, MACKAY R A,etal. Superalloys 1992. Warrendale, PA: TMS, 1992:155-164.

[18] LIU L R, JIN T , ZHAO N R,etal. Microstructural evolution of a single crystal nickel-base superalloy during thermal exposure [J]. Materials Letters, 2003, 57 :4540-4546.

[19] CHEN Q Z, KONG Y H, JONES CN,etal. Porosity reduction by minor additions in RR2086 superalloy[J]. Scripta Materialia, 2004, 51:155-160.

(責(zé)任編輯：張 崢)

Effect of Low Angle Grain Boundaries on Mechanical Properties of DD5 Single Crystal Ni-base Superalloy

QIN Jianchao, CUI Renjie, HUANG Zhaohui, ZHAO Jingqian, ZHANG Yipeng,ZONG Cui, CHEN Shengping

(National Key Lab. of High Temperature Structure Structural Materials, Beijing Institute of Aeronautical Materials, Beijing 100095, China)

The effects of low angle grain boundaries on the mechanical properties of second generation single crystal superalloy DD5 were investigated and the test specimens were prepared by using seeds. The results show that at 870 ℃, the yield strength and breaking strength showed no difference when the angle is below 16.1°. The elongation is higher than 15% when the angle is below 11.4°， but the elongation decreases quickly when angle is above 11.4°. At 980 ℃/250 MPa, the rupture life is higher than 130 h when the angle is below 5.1°, and decreased slowly when the angle is above 5.1°. The rupture life still remaines 85% when the angle is 14.8°. But the rupture life decreases quickly when the angle is above 14.8°.At 1093 ℃/158 MPa, the rupture life is higher than 30 h when the angle is below 5.1°, and decreases when the angle is above 5.1°.

superalloy; low angle grain boundary; rupture life; tensile property

2016-07-22；

2016-10-26

秦健朝(1993—)，男，碩士，主要從事鎳基單晶高溫合金研究工作，(E-mail)hithuang@126.com。

10.11868/j.issn.1005-5053.2016.000127

TG132.3+2

A

1005-5053(2017)03-0024-06