镍基高温合金具有优良的高温性能，是目前制造先进航空发动机涡轮叶片的主要材料，随着航空发动机性能的提高，对合金的高温性能要求也越来越高，合金也随之迅速发展，合金的制备技术由普通铸造的多晶发展到定向凝固的柱晶以及单晶，合金的成分也由一代发展到四代甚至五代。合金成分发展最显著的特征就是在合金中加入Re和Ru，而Re和Ru都属于稀贵金属，合金加入Re和Ru后，成本急剧提高，严重限制了合金的应用，因此寻求成本较低，性能较高的合金一直是高温合金工作者的研究重点。
镍基高温单晶合金的基体组织是γ相，增强相是γ′相，合金主要靠γ′相提高持久/蠕变性能，γ′相的形态、数量对合金性能有较大影响。Al是γ′相的主要形成元素，Al含量的多少对合金中γ′相数量有较大的影响，目前应用的镍基单晶合金中Al的加入量为2.1%～7.0%，合金中的γ′相数量约为60%(体积分数)。已有研究表明，增加γ′相数量有利于提高合金的高温持久性能，因此，本研究拟在目前已经应用的一种镍基单晶合金基础上，继续提高Al含量，探究Al含量对合金组织及持久性能的影响，以期为以后的合金设计做基础性研究。
实验合金的设计成分如表1所示。母合金采用ZGJL-0.025型真空感应炉熔炼，单晶试样的制备在ISP05DS/SC单晶炉上进行，模壳温度为1560℃，拉晶速率为4mm/min，所采用的方法为螺旋选晶法。采用背散射劳埃法测定单晶试棒的晶体取向，铸态及热处理后的试棒加工成带有台阶的持久试样，在GWT304型高温持久/蠕变试验机上进行持久性能测试，运用光学显微镜、QUANTA-600型扫描电镜和JEM-2100F场发射透射电镜进行组织观察。
表1 实验合金的化学成分(质量分数,%)
|
合金 |
Al |
Ti |
Ta |
Cr |
Mo |
W |
Hf |
C |
Ni |
|
S1 |
7.5 |
1.0 |
2.0 |
6.0 |
3.5 |
2.0 |
0.5 |
0.015 |
Bal. |
|
S2 |
8.5 |
1.0 |
2.0 |
6.0 |
3.5 |
2.0 |
0.5 |
0.015 |
Bal |
7.5%Al和8.5%Al合金的铸态组织都是由块状粗大的γ'、细小的γ'以及γ相组成，随着Al含量的增加，粗大γ'的数量增多，尺寸增大。固溶处理不能完全消除合金中块状粗大的γ'相。合金持久断裂时，裂纹主要产生于粗大的γ'/γ相界面并沿γ'/γ相界面扩展。Al含量的增加降低了合金在1050℃、168MPa条件下的持久寿命。（榕霖）
