Al含量对镍基单晶合金组织及持久性能的影响

   2020-09-01 互联网中国铸造网12120
核心提示: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

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。

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)


 
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