不同元素對鎳基合金鑄態組織的影響

劉朋柱

摘 要：鎳基單晶高溫合金是一種應用于航空發動機渦輪葉片的重要合金，鎳基單晶高溫合金能夠在航空發動機渦輪葉片工作時的惡劣工況條件下獲得良好的使用性能。鎳基單晶高溫合金的性能與鎳基單晶高溫合金的凝固組織有著密切的聯系，為獲取更好的使用性能需要了解不同元素對鎳基單晶高溫合金鑄態組織的影響，并以此為基礎開發出性能更好的鎳基單晶高溫合金用，以提高航空發動機的性能。

關鍵詞： 鎳基合金；鑄態組織；凝固過程

中圖分類號：TG132 文獻標志碼：A

航空發動機是一種高技術含量的工業產品，其是一個國家工業實力的重要體現。在航空發動機的生產中渦輪葉片是其中極為重要的組成部分，渦輪葉片需要在高溫高壓下進行運作，加之高速旋轉中所受到的氣動力和離心力的復合作用將使得渦輪葉片承受極為復雜的運動工況。渦輪發動機所面臨的惡劣工況對航空發動機的材料提出了極高的要求，鎳基單晶高溫合金是一種輕質量、高溫抗性、高抗拉伸強度、耐持久強度和蠕變強度的合金，將鎳基單晶高溫合金應用于航空發動機渦輪葉片的生產中將能夠使得渦輪葉片獲得較為良好的性能。而鎳基單晶高溫合金所具有的這些良好特性取決于鎳基單晶高溫合金內復雜的晶體組織。枝晶是鑄造合金葉片中最常見的凝固組織，其枝晶間距、晶粒粗細及縮松夾雜與合金的機械性能有著密切的聯系。為研發更高性能的鎳基單晶高溫合金需要積極做好鎳基單晶高溫合金研究，通過試驗分析不同元素對鎳基單晶高溫合金凝固組織的影響。

1 鎳基單晶高溫合金中所含有的元素及對凝固組織的影響

鎳基單晶高溫合金金屬結構復雜，其內部所含有的大量W、Mo、Ta等的難熔金屬元素能夠有效地提升鎳基單晶高溫合金的承溫性。而鎳基單晶高溫合金中難熔金屬含量的增加將使得鎳基單晶高溫合金的凝固組織長期在高溫熱暴露條件下易形成TCP相，而TCP相的形成將不利于鎳基單晶高溫合金力學性能的改善，甚至于還會產生較為嚴重的破壞導致鎳基單晶高溫合金的力學性能下降，無法承受渦輪葉片工作時所產生的復雜作用力。

為使得鎳基單晶高溫合金具有良好的性能，需要積極做好鎳基單晶高溫合金中各元素含量的分析，通過調節鎳基單晶高溫合金中各元素的含量以使得鎳基單晶高溫合金獲得良好的性能。由于鎳基單晶高溫合金中難熔金屬元素含量的增加將破壞凝固組織的力學性能，因此如提高鎳基單晶高溫合金的穩定性，就要通過采取降低鎳基單晶合金組織中Cr的含量。

CMSX系列合金在不斷的研發優化過程中其內部的Cr元素的含量在不斷地降低。1代合金CMSX-2中Cr元素的含量占比為8%，而2代、3代CMSX系列合金中Cr元素的含量將下降至6.5%、2.3%。最近，在美國第4代航空發動機中合金EPM102中，將其中Cr元素的含量降低至2%。通過這一事例表明，難熔金屬元素含量在提升鎳基單晶高溫合金組織穩定性的同時也會對合金凝固組織的力學穩定性產生一定的影響。鎳基單晶高溫合金中所含有的Cr除了具有強化作用外還能夠形成Cr2O3型氧化膜，使鎳基單晶高溫合金在抗氧化性和耐腐蝕性方面得到加強。 鎳基單晶高溫合金中Cr含量降低將會導致鎳基單晶高溫合金的抗氧化性和耐腐蝕性能有所下降。通過試驗表明， 鎳基單晶高溫合金中Cr含量的增加將使得鎳基單晶高溫合金的固相線、液相線降低，固溶熱處理窗口變窄，而糊狀區寬度增加，γ′相含量和組織不穩定性增加， 鎳基單晶高溫合金一次枝晶間距稍有減小，共晶含量增加，合金元素的枝晶偏析程度增加；合金枝晶干、枝晶間的γ′相尺寸減小，其均勻化和立方化程度稍有增加。而鎳基單晶高溫合金凝固時結晶形貌所受到的影響主要集中在“成分過冷”。據相關研究數據表明， 鎳基單晶高溫合金中的溶質濃度、液相的溫度梯度和凝固速度是造成鎳基單晶高溫合金凝固結晶形貌產生“成分過冷”的主要因素。其中成分過冷的判別式為：

在上述公式中G代表的是鎳基單晶高溫合金液相中的溫度梯度，R代表的是合金凝固組織界面向前推進的速度，m為合金液相線的斜率，K0為合金固液濃度分配系數，DL為液體中的擴散系數，C0為合金溶液中的溶質原始濃度。

鎳基單晶高溫合金中金屬元素含量的改變將直接影響到合金凝固組織形貌。以Al元素為例，鎳基單晶高溫合金中Al元素含量的增多將會增大上述公式中的G值，致使鎳基單晶高溫合金的溫度梯度增大，從而使得鎳基單晶高溫合金的成分過冷程度減小。鎳基單晶高溫合金凝固組織所產生的枝晶形貌也由原先的柱狀樹枝晶向胞狀樹枝晶方向轉變。Al元素含量的變化對鎳基單晶高溫合金凝固行為的影響需要繼續進行研究深入，以便為后續的鎳基合金開發以及熱處理工藝提供數據支撐。

鈦金屬是一種質量輕、耐腐蝕性、耐高溫性都較好的金屬，鈦元素的化學活潑性較強，其能夠通過與鋁相結合以固溶體形式存在，存在于鋁中的鈦的固溶體一部分形成了TiAl3的化合物，TiAl3所具有的晶格形式與 Al的晶格相似，TiAl3的晶格為四面晶體結構，它與面心立方晶格的α相之間有下述的晶面對應：（001）Al∥（001）TiAl3，[001]Al∥[001]TiAl3，（211）Al∥（001）TiAl3，兩者的晶格常數也相近（Δr/r≈6%），且TiAl3具有更高的熔點，其能夠以較為穩定的形式在基體中長期存在。因此所形成的TiAl3能夠作為α相的結晶核心，從而細化晶粒。

試驗表明在665℃下將發生L（液）+Ti3Al→α（Al） 的包晶反應，而包晶反應所形成接近平衡冷卻所測得的相圖則與實際反應存在著一定的差異。在實際生產中包溫合金是在非平衡冷卻條件下所形成的，由于冷卻不均勻加之各部冷卻速度的差異致使TiAl3固溶結晶的成分也不均勻，容易產生晶內偏析（枝晶偏析）。

由于各部冷卻不平衡致使包晶反應擴散困難，在TiAl3固溶結晶冷卻到一定的程度后包晶反應甚至會被抑制，剩下的液體在持續冷卻下將直接析出固相。而這些未轉變的固相就被保留在后析出的固相之中。在這一包晶反應過程中就造成了共晶相的基體上有先包晶的樹枝狀初晶，兩相依次形成。通過上述分析后可以發現存在于鎳基單晶高溫合金中的鈦元素將能夠使得鑄態晶粒得到明顯的細化。鎳基單晶高溫合金需要具有良好的力學性能和耐高溫、耐腐蝕特性，隨著航空發動機推重比要求的提升，增加航空發動機的溫度是最直接也是最高效的方法之一，而這就對鎳基單晶高溫合金的研制提出了更高的要求。鎳基單晶高溫合金的性能受其內所含有的金屬元素及形成工藝的影響，在研究高性能鎳基單晶高溫合金的過程中應當積極做好各種合金元素含量對合金組織和性能的影響研究，并加緊對于鎳基單晶高溫合金制備工藝的試驗，用以形成良好的凝固組織，提高鎳基單晶高溫合金的各項性能。

結語

鎳基單晶高溫合金是現今應用于航空發動機渦輪葉片的主要材料，應當積極做好鎳基單晶高溫合金的研究與開發，以高性能的鎳基單晶高溫合金進一步推動航空發動機的發展。本文在分析鎳基單晶高溫合金特點的基礎上對幾種元素對鎳基單晶高溫合金的性能影響進行了分析介紹。

參考文獻

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