第二代镍基单晶的热处理制度设计和持久性能研究.docVIP

一种第二代镍基单晶高温合金热处理制度研究陈柏凡 李辉 （中国科学院金属研究所，沈阳 110016） 摘 要：用热力学计算、DSC和金相法对第二代镍基单晶高温合金的热处理制度进行了研究。结果表明：经过1315℃4h的固溶热处理，合金中的铸态γ/γ?共晶得到有效溶解；经过1150℃4h的时效热处理，获得大小为0.44μm、体积分数为62%和立方度好的γ?相持久性能优异。0.44μm大小、体积分数为62%γ?相γ?相 关键词：镍基单晶高温合金；热处理；初熔；持久性能 中图分类号： 文献标志码：A 文章编号： he Heat Treatment of a Second Generation Ni-based Single Crystal Superalloy CHEN Bai-fan, LI Hui (Institute of Metal Research, Chinese Academy of Science, Shenyang 110016, China) Abstract: The heat treatment regime of a second generation Ni-based single crystal superalloy was investigated by the assistance of thermodynamics calculation, DSC and metallography. Results showed that γ/γ? eutectic was dissolved at 1315℃ for 4 h and when aging at 1150℃×4h, the size of cuboidal γ? was 0.44μm and its volume fraction was 62%. This alloy showed excellent rupture property. Keyworks: Ni-based single crystal superalloy; heat treatment; incipient melting; rupture property 0 引 言 镍基单晶高温合金具有优异的高温性能，适用于制造航空发动机的关键部件—涡轮叶片为提高耐温能力，加了越来越多的难熔元素，这不但使铸态单晶合金共晶增多偏析更为严重[1]，而且合金的热处理窗口也越来越窄[2]固溶热处理越来越困难，如镍基单晶CMSX-10的固溶处理温度高达1365℃且时间长达45 h [3]。枝晶干和枝晶间组织不均匀导致持久时γ?相筏化速率不相等[4]，这不利于单晶合金的持久性能。合适的γ?相能使合金获得的性能，如：γ?相排列规则边长为0.45μm时，单晶的持久寿命能有效提高[5]；γ?相的体积分数为65%左右时，合金蠕变性能最好[6]。 第二代镍基单晶高温合金难熔元素（W+Mo+Re+Ta）接近20%CMSX-4为16.1%、René N5为17%和MC2为16%[7]，固溶窗口小、时间长。合理的固溶热处理制度和时效热处理制度能有效溶解共晶、获得合适的γ?弥散相。镍基单晶的热处理研究[89]，但对第二代镍基单晶热处理制度的系统研究未见报道。采用热力学计算、DSC和等手段，研究了PWA1484的热处理制度，并测试了该热处理制度下的持久性能。 1 试样制备和试验方法 验材料选用第二代镍基单晶高温合金PWA1484，其名义成分为：Ni-5Cr-10Co-3Re-6W-2Mo-8.7Ta-5.6Al-0.1Hf（质量分数%）。采用快速凝固定向凝固工艺（HRS）制备单晶试棒，单晶合金[001]晶向与生长方向的取向差在10°以内，单晶试棒的尺寸为Φ16 mm× 200 mm。用线切割从单晶试棒上切取样，热处理试样取样位置为距单晶试棒水冷端3080 mm，持久试样取样位置为距单晶试棒水冷端30100 mm。 将铸态试样分别1315，1320℃下保温1 h1300，1310℃对固溶处理10 h1315℃×4 h逐级保温固溶1100，1150，1200℃时效处理4 h，观察温度对γ?相的影响。 将得到的固溶和时效表面氧化层，打磨抛光，用20 mLH2O+20 mLHCl+4 gCuSO4溶液蚀采用蔡司Axiovert 200MAT型光学显微镜和Oxford Instrument Inspect F50扫描电镜观察显微组织用Image-Pro Plus 6.0软件统计共晶体积分数和γ?相的大小、体积分数。 1315℃×4 h的逐级保温固溶1150℃×4h + 870℃×24h时效测试试样不同温度和应力下的持久性能2试验结果与讨论 2.1 合金的固溶热处理制度 图1单