過熱處理對單晶高溫合金拉伸性能的影響

史振學, 劉世忠

(北京航空材料研究院 先進高溫結構材料重點實驗室, 北京 100095)

鎳基單晶高溫合金具有優良的高溫性能,是目前制造先進航空發動機渦輪葉片的主要材料[1-4].為了提高航空發動機的性能,關鍵是提高渦輪葉片的工作溫度,這對單晶高溫合金的承溫能力提出了更高的要求[5].對確定成分的單晶高溫合金,不同的合金組織對應于不同的合金性能[6-7].鎳基單晶高溫合金主要由γ基體和γ′強化相組成,其力學性能在很大程度上取決于γ′強化相的尺寸、形態、分布和體積分數[8-9].渦輪葉片工作條件苛刻,所受溫度環境條件十分復雜,服役過程中有時會出現過熱現象.γ′相的形貌受界面能和應變能控制,過熱影響合金的組織,進而影響合金的性能.因此有必要開展過熱對合金組織和性能影響的研究,為合金的安全服役提供使用依據.

1 試驗材料和方法

試驗用DD6母合金,名義化學成分見表1.在高溫度梯度真空定向凝固爐中采用螺旋選晶法制備[001]取向的DD6單晶高溫合金試棒.用勞埃X射線背反射法確定單晶試棒的結晶取向,試棒的[001]結晶取向與主應力軸方向的偏差在10°以內.試樣經1 290 ℃/1 h+1 300 ℃/2 h+1 315 ℃/4 h,AC+1 120 ℃/4 h,AC+870 ℃/32 h,AC標準熱處理后,再分別在1 100,1 150,1 200,1 250,1 300和1 320 ℃下保溫1 h后空冷處理.加工成標準的拉伸性能試樣,在1 000 ℃溫度下測試不同過熱處理后合金的拉伸性能.用掃描電鏡觀察合金在不同溫度處理后的顯微組織.

表1 DD6合金的名義成分Tab.1 Nominal chemical compositions of DD6 alloy

2 試驗結果

2.1 不同溫度過熱處理后的合金組織

圖1(a)為合金的標準熱處理組織,圖1(b)～(g)為不同溫度過熱處理后的合金組織.由圖1看出,1 100 ℃過熱處理后,合金γ′相立方化程度稍有增加,尺寸稍有增加;基體通道寬度增加.1 150 ℃過熱處理后,合金γ′相立方化程度增加,尺寸稍有增加,而且其尺寸大小、均勻化程度最好,基體通道寬度繼續增加.1 200 ℃過熱處理后,合金γ′相尺寸大小、均勻化程度均降低;基體通道進一步變寬,通道中有細小的二次γ′相析出.1 250 ℃過熱處理后,合金γ′相尺寸繼續增加,尺寸大小非常不均勻,γ′/γ相界面為鋸齒狀.1 300 ℃過熱處理后,合金中少部分為鋸齒狀界面的γ′相,大部分為不規則、近似立方、尺寸較小的新析出γ′相.1 320 ℃過熱處理后,未形成初熔組織,組織中全部為不規則、尺寸較小的新析出γ′相.

2.2 不同過熱處理后的合金拉伸性能

不同溫度過熱處理后合金在1 000 ℃的拉伸性能見圖2.由圖2可看出,合金的屈服強度在1 100 ℃和1 150 ℃過熱處理后稍有增加,1 250,1 300和1 320 ℃過熱處理后稍有降低,而1 200 ℃過熱處理后降低較多.合金的抗拉強度在1 100 ℃和1 150 ℃過熱處理后有較大提高,1 250 ℃和1 320 ℃過熱處理后基本不變,1 300 ℃處理后稍有增加,而1 200 ℃過熱處理后降低較多.合金的伸長率除了在1 150 ℃過熱處理后基本不變外,其他溫度下過熱處理后都有不同程度的增加.合金的斷面收縮率在1 100 ℃和1 150 ℃過熱處理后稍有降低,而其他溫度下過熱處理后都有所提高.從整體對比上來看,除了1 200 ℃過熱處理后合金的屈服強度和抗拉強度降低外,其他溫度下過熱處理對合金的拉伸性能影響較小.

圖1 不同溫度過熱處理后的合金組織Fig.1 Microstructure of the alloy after overheating at different temperature

圖2 不同溫度過熱處理后合金1 000 ℃的拉伸性能Fig.2 Tensile properties of the alloy after overheating at different temperature

3 分析和討論

3.1 組織演變

圖3為DD6合金差熱分析的升溫曲線.由圖3可看出,DD6合金在895.6 ℃時γ′相開始回溶,1 270.1 ℃時有一個小的吸熱峰.這里對應大量γ′相的回溶溫度,γ′相完全回溶溫度為1 307.8 ℃,合金的初熔溫度為1 325 ℃.

圖3 DD6合金的差熱分析曲線Fig.3 Differential scanning calorimetry analysis curve of DD6 alloy

合金在1 100,1 150,1 200和1 250 ℃過熱處理時,熱處理溫度低于γ′相的大量回溶溫度.保溫過程中,兩個過程同時進行:一方面為γ′相長大過程;一方面為γ′相的回溶過程.γ′相按照Ostwald方式長大,大的γ′相長大,小的γ′相溶解.γ′相的長大受合金元素擴散的控制,其長大規律遵循LSW粗化理論[10].溫度是影響合金元素擴散的主要因素,溫度越高,擴散系數越大,合金元素的擴散速度越快,γ′相的長大速度越快.因而熱處理溫度越高,經過相同熱處理時間,一次γ′相的尺寸越大.另一方面,保溫過程中,部分γ′相得到回溶,基體通道寬度變寬,基體通道中重新析出細小的二次γ′相.從1 100 ℃升至1 150 ℃,再至1 200 ℃,隨著熱處理溫度的升高,γ′相回溶量增加,基體通道逐漸增加.但在1 250 ℃的保溫過程中,γ′相尺寸增加量較大,γ′相回溶量也較大,基體通道也較寬,冷卻過程中大部分γ′相依附于原來的γ′相上繼續長大.由于再次析出的γ′相將沿(011)面析出使能量降低,這就造成了γ′/γ相界面呈現除鋸齒狀的界面[11].當合金在1 300 ℃過熱處理時,溫度高于γ′相大量回溶溫度,而又低于γ′相的完全回溶溫度,保溫過程中絕大部分γ′相回溶,少部分γ′相未回溶.冷卻過程重新析出大量的、細小不規則的γ′相.合金在1 320 ℃熱處理時,溫度高于γ′相的完全回溶溫度而小于合金的初熔溫度,保溫過程中,γ′相完全回溶變成γ相,冷卻過程中重新析出細小不規則的γ′相.

3.2 拉伸性能變化

合金的組織決定合金的性能[6-7].單晶高溫合金主要由γ和γ′兩相組成.γ′作為強化相,它的體積含量對單晶高溫合金的拉伸性能有重要的影響.對合金不同溫度熱處理后γ基體通道寬度和γ′相體積分數進行定量分析,如圖4所示.合金在1 200 ℃過熱處理后,γ基體通道寬度最大,而γ′相體積分數最小.在單晶高溫合金的高溫變形過程中,位錯先在γ相中運動,基體通道的增加使位錯很容易在基體中移動,導致合金抗拉強度的降低.位錯遇到γ/γ′相界面受阻,具有不同柏氏矢量的位錯,在進行長程交滑移的同時,相遇并發生位錯反應,于是在γ/γ′相界面上形成位錯網,位錯網密度越大,合金強度越大[12].隨著γ′相的體積分數降低,γ/γ′相界面面積減小,形成的位錯網密度降低,不能夠有效地阻礙后續位錯剪切通過γ′相,導致合金拉伸強度降低.因此合金在1 200 ℃過熱處理后,屈服強度和抗拉強度明顯降低.

圖4 不同溫度過熱處理對合金γ基體通道寬度和γ′體積分數的影響Fig.4 Effect of overheating at different temperature on the width of γ base channel and volume fraction of γ′ phase

4 結 論

(1) DD6合金在1 100,1 150和1 200 ℃過熱處理后,γ′相稍有長大.1 250 ℃過熱處理后,γ′相明顯長大,相界面大部分為鋸齒狀.1 300 ℃過熱處理后,少部分為具有鋸齒狀相界面的粗大γ′相,大部分為細小的γ′相.1 320 ℃保溫處理后,全部為不規則、細小的γ′相.

(2) 合金的屈服強度和抗拉強度在1 200 ℃過熱處理后明顯降低,在其他溫度過熱處理后變化較小.主要原因為1 200 ℃過熱處理后,合金γ基體通道寬度最大,而γ′相的含量最少.

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