一種含Re鎳基單晶高溫合金的長時(shí)組織演化規(guī)律研究

郭維華 魏先平 張瓊元 高振桓 聶麗萍 鞏秀芳

(1.東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司，四川618000；2.長壽命高溫國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川618000)

收稿日期：2021-11-25

作者簡介：郭維華(1987—)，女，碩士，工程師，主要從事汽輪機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)材料開發(fā)與設(shè)計(jì)。

提高透平初溫是提高工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)功率的一種重要方式，這對透平葉片的承溫能力提出了愈來愈高的要求。目前，先進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)的透平初溫達(dá)到了1 500～1 600℃，透平動(dòng)、靜葉等高溫部件的材料幾乎無一例外選用鎳基高溫合金。從20世紀(jì)40年代以來，鎳基高溫合金從變形高溫合金(Wrought)、鑄造高溫合金(CC)發(fā)展到定向凝固高溫合金(DS)和單晶高溫合金(SC)，單晶高溫合金葉片由于消除了晶界，其使用溫度提高到熔點(diǎn)的0.85倍(約1 150℃)，且高溫時(shí)組織穩(wěn)定，綜合性能很好，所以越來越多的重型燃機(jī)透平葉片選用單晶高溫合金，美國GE的H級(jí)及德國西門子的F/H級(jí)燃機(jī)第一級(jí)透平動(dòng)靜葉片均采用了單晶合金[1-3]。目前國內(nèi)自主研發(fā)的重型燃機(jī)葉片材料較少，單晶葉片材料長時(shí)服役組織演化規(guī)律及成分變化研究較少。

由于材料在高溫服役的過程中，不可避免地會(huì)發(fā)生材料的組織變化。而部件服役性能的變化或衰減的本質(zhì)原因是材料組織的變化。對于長時(shí)工作的單晶葉片材料也不例外，這就要求葉片用單晶材料具備良好的高溫組織穩(wěn)定性。單晶合金強(qiáng)度主要取決于γ′相的沉淀強(qiáng)化，γ′相的形貌對合金的性能有很大的影響[4]。本文通過對含Re鎳基單晶高溫合金進(jìn)行長時(shí)時(shí)效，分析其組織演化規(guī)律，建立材料組織隨溫度變化的組織圖庫，指導(dǎo)單晶葉片選材及壽命評(píng)估。

1 材料及試驗(yàn)方法

采用的鎳基單晶高溫合金材料為自主研發(fā)的DF系列單晶高溫合金中的一種，以下簡稱為DF20，其化學(xué)名義成分如表1所示。試驗(yàn)采用HRS法澆注，通過選晶法在高溫度梯度真空定向凝固爐中，得到[001]取向的單晶合金試棒，單晶試棒尺寸為?14 mm×200 mm，如圖1所示，經(jīng)過XRD測其單晶偏離角度為3.3°。采用自主設(shè)計(jì)的熱處理工藝在真空熱處理爐中對試棒進(jìn)行兩次固溶，如圖2所示。截取高度h≤15 mm的試塊，進(jìn)行機(jī)械研磨、拋光和腐蝕。通過DM6金相顯微鏡和JSM-6490LV掃描電鏡，觀察熱處理前后樣品橫截面的微觀組織形貌，觀察γ/γ′的形貌并統(tǒng)計(jì)γ′相的尺寸。在大氣爐中進(jìn)行長時(shí)時(shí)效試驗(yàn)，時(shí)效溫度為950℃，研究熱處理后的DF20試棒在該溫度下時(shí)效2 000 h、5 000 h和10 000 h的組織變化特征。通過Apreo掃描電鏡觀察長時(shí)時(shí)效后試棒的γ/γ′的筏化規(guī)律及通過BRUKER能譜儀測試γ′成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

圖1 單晶試棒DF20Figure 1 Single crystal test bar DF20

圖2 DF20熱處理工藝Figure 2 Heat treatment process of DF20

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 DF20合金試棒熱處理后的γ/γ′組織

DF20合金試棒經(jīng)過熱處理后微觀組織形貌如圖3所示，固溶后99%的鑄態(tài)γ′溶解，經(jīng)過高溫時(shí)效，析出細(xì)小、均勻分布的立方體γ′相，其平均尺寸為400～450 nm。DF20的設(shè)計(jì)使用溫度為900～1 000℃，因?yàn)棣谩湎囝w粒的尺寸，在枝晶間和枝晶干為400～450 nm時(shí)能達(dá)到理想的抗蠕變性能[5-6]，再經(jīng)較低溫度(870℃或760℃)時(shí)效后，進(jìn)一步在γ′基體上析出更為細(xì)小的γ′相，其尺寸約為300 nm，有助于增強(qiáng)阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的作用，提高材料的綜合性能[2]。

圖3 二次固溶時(shí)效后的DF20試棒的微觀組織形貌Figure 3 Microstructure morphology of DF20 test barafter the second solution and aging

2.2 950℃高溫長時(shí)時(shí)效后DF20的組織

對DF20鎳基單晶試棒進(jìn)行2 000 h、5 000 h、10 000 h的長時(shí)時(shí)效，時(shí)效溫度為TCP相析出的敏感溫度950℃，從圖4可以看到2 000 h、5 000 h、10 000 h的長時(shí)時(shí)效后的顯微組織均沒有產(chǎn)生TCP相。由于TCP相會(huì)降低合金的抗蠕變性能，說明DF20合金組織穩(wěn)定，抗蠕變性能在10 000 h內(nèi)有一定保證。繼續(xù)觀察長時(shí)時(shí)效后的枝晶干部分的強(qiáng)化相γ′相的形貌，可以看到當(dāng)長時(shí)時(shí)效時(shí)間為2 000 h、5 000 h時(shí)，仍然有大面積的立方狀γ′存在，并與基體保持共格關(guān)系，部分γ′的立方體結(jié)構(gòu)有粗化趨勢，立方體的γ′逐漸向菱形變化，枝晶間區(qū)域出現(xiàn)了筏化現(xiàn)象。隨著時(shí)效時(shí)間的延長，筏排化現(xiàn)象越顯著，當(dāng)時(shí)效時(shí)間為10 000 h時(shí)，出現(xiàn)了長方形的γ′相組織。同時(shí)，γ′強(qiáng)化相時(shí)效時(shí)間越長，強(qiáng)化相析出尺寸越大，其顆粒析出尺寸在2 000 h時(shí)效后為450～727 nm，而5 000 h時(shí)效后粗化至500～956 nm，10 000 h時(shí)效后部分區(qū)域大于1 μm。這主要是部分的γ′相發(fā)生了聚合，γ相通道變窄，元素發(fā)生遷移,γ′相開始沿不同的[001]方向擴(kuò)散長大[7]，但此時(shí)并沒有產(chǎn)生TCP相，組織相對穩(wěn)定。

(a)2000h(b)5000h(c)10000h

2.3 950℃高溫長時(shí)時(shí)效后DF20的成分變化

從圖5可以看到元素分布的情況，γ′相的主要元素為Ni、Mo、W、Al、Ti、Hf。其中Cr、Mo和W的含量上升時(shí)，錯(cuò)配度顯著增大(其中錯(cuò)配度對單位含量的Mo更敏感)[8]。Mo元素可顯著提高合金錯(cuò)配度和TCP相析出，影響合金的長時(shí)組織穩(wěn)定性，結(jié)合表2可知Mo元素在2 000 h、5 000 h成分變化不大，γ′相保持穩(wěn)定。W元素顯著提高合金錯(cuò)配度，在長期時(shí)效過程中元素成分基本沒有發(fā)生變化，且W元素對TCP相析出的促進(jìn)作用較弱，W元素保持穩(wěn)定。而Co的影響很弱，γ′相中未檢測出Co元素，Co元素主要分布γ相中起沉淀強(qiáng)化作用，在含量變化時(shí)錯(cuò)配度基本不變。而γ′相中Re含量降低(如表2所示)，使DF20合金的一次枝晶間距增加，γ′相尺寸增大，立方化程度減弱出現(xiàn)筏化[9]。

(a)×50 000，2 000 h；元素依次為Al、Ni、Ti、Hf、Ta

表2 DF20試塊長時(shí)時(shí)效后的γ′相化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 2 The chemical composition of the γ′ phase in the DF20 test block after long-time aging(mass fraction, %)

經(jīng)不同時(shí)間時(shí)效后γ′相各元素的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表2所示。從表2可知，Al、Ti、Hf元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2 000 h、5 000 h、10 000 h時(shí)效后變化不大，而Al、Ti為γ′相的主要組成元素，所以經(jīng)過950℃/10 000 h長時(shí)時(shí)效后組織穩(wěn)定性仍較好，無有害相析出。觀察到γ′相中的Cr、Mo、W在2 000 h、5 000 h時(shí)效后的成分含量變化不大，而在10 000 h時(shí)效后的變化相對較大。有報(bào)道分析Mo含量的增加可促進(jìn)Re在γ相中富集，也使Cr的分配比增加[10]。從表2中可知，Mo含量降低，使Re元素不能穩(wěn)定在γ相中富集，長時(shí)時(shí)效后元素有擴(kuò)散，γ/γ′相界面能和彈性應(yīng)變能降低，大的γ′相長大，小的γ′相溶解，γ′相按Ostwald熟化方式長大[11-12]，γ′呈長方體與立方體共存。

3 結(jié)論

(1)DF20單晶高溫合金經(jīng)過950℃/10 000 h長時(shí)時(shí)效，沒有TCP相析出，合金長時(shí)組織穩(wěn)定性良好。

(2)DF20單晶高溫合金時(shí)效2 000 h、5 000 h后，γ′成分基本沒有變化，γ′相仍然與基體保持共格，有部分枝晶間的γ′相粗化，γ′相尺寸在500～730 nm之間，當(dāng)長時(shí)時(shí)效到10 000 h后，由于元素遷移，γ/γ′相界面能和彈性應(yīng)變能降低，γ/γ′共格弱化，大尺寸的γ′相長大，小尺寸的γ′相溶解，導(dǎo)致γ′呈長方體與立方體共存。