Co含量對DD15單晶高溫合金組織和持久性能的影響

史振學,劉世忠,岳曉岱,王志成,李嘉榮

（中國航發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綜合性能，是目前制造先進航空發動機渦輪葉片的關鍵材料[1-3]。為提高航空發動機的性能，就要提高渦輪葉片的工作溫度。單晶高溫合金的承溫能力依賴于合金中Ni、Cr、Co、Mo、W、Ta、Al、Re、Ru等元素的合金化作用。Co是單晶高溫合金中重要的合金元素。Co主要固溶于γ基體中，少量進入γ′相，降低基體的堆垛層錯能，增加C的固溶度，減少次生碳化物析出[4]。Co能增加Cr、Mo、W在γ基體中的溶解度[5]。適量的Co可改善合金的抗氧化耐熱腐蝕性能；過量的Co減少強化相γ′的體積分數，降低合金的強度。Co降低合金的初熔溫度[6]，提高合金的持久壽命[7-8]，促進固溶過程，有助于減輕合金元素的偏析[9]。隨著單晶合金中難熔金屬元素含量的增加，長期工作在高溫條件下容易析出TCP相，降低合金的力學性能[10-12]。Co含量對合金的組織穩定性的影響，研究者有不同的觀點。Erickson等在三代單晶CMSX-10合金中將Co的含量限制在3.3%[13]，而Walston等則推薦在三代單晶ReneN6合金中將Co的含量提高到12.5%以改善相穩定性[14]。美國、法國、日本分別研制了第四代單晶高溫合金 EPM-102[15]、NG-MC[16]和 TMS-138[17]，Co含量分別為16.5%、小于0.2%、5.9%。在公開文獻中有關Co含量對單晶高溫合金組織和力學性能的研究很少。本工作研究Co含量對第四代單晶高溫合金DD15組織和持久性能的影響，為優化第四代單晶高溫合金的化學成分，提高合金的組織穩定性和力學性能提供技術支持。

1 實驗材料及方法

所用材料為第四代單晶高溫合金，在保持其他合金元素含量基本不變的情況下，分別加入9%Co和12%Co，合金成分見表1。在高溫度梯度真空定向凝固爐中采用螺旋選晶法分別制備[001]取向的單晶高溫合金試棒。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。合金完全熱處理后在980 ℃進行2000 h長期時效熱處理，分別在時效 400 h、800 h 和 2000 h 取樣。合金完全熱處理后加工成持久性能試樣，在980 ℃/300 MPa條件下測試合金的持久性能。用光學顯微鏡和掃描電鏡觀察合金的鑄態組織、熱處理組織和長期時效組織。采用單位面積法計算一次枝晶間距，用比面積法測定合金的γ/γ′共晶含量。采用JMatPro計算軟件分析合金的凝固特征。

表1 不同Co含量合金的化學成分（質量分數/%）Table 1 Nominal chemical compositions of the alloys with different Co contents（mass fraction%）.

2 實驗結果與分析

2.1 Co 含量對合金組織的影響

圖1為不同Co含量合金的枝晶組織形貌。兩種不同Co含量合金在相同凝固條件下獲得的凝固組織均為枝晶組織，由枝晶干、枝晶間及枝晶間的γ/γ′共晶組成。經計算9%Co和12%Co合金的一次枝晶間距分別為292 μm和338 μm，共晶含量分別為10.7%和9.3%。由此看出，在相同的定向凝固工藝條件下，隨著Co含量增加，合金的一次枝晶間距增加，共晶含量減少。在單晶高溫合金凝固過程中，固相和液相之間溶質再分配導致枝晶干和枝晶間的成分不均勻，形成枝晶偏析。γ相形成元素Re、W、Mo、Cr、Co、Ru 偏析于枝晶干，而 γ′相形成元素Al、Nb、Ta枝晶偏析于枝晶間。枝晶間的液相成分具備 γ/γ′共晶相成分時，溫度下降 γ/γ′共晶相析出。Co為γ相形成元素，隨著Co含量增加，合金中γ相體積分數增加，γ′相體積分數減少，造成凝固時枝晶間形成共晶相的液體體積分數減少，因而形成的共晶體積分數減少。共晶含量是凝固偏析的表征之一，合金中共晶含量的減少，意味著合金凝固枝晶偏析程度的降低[18]。

圖1 不同 Co 含量合金的鑄態枝晶組織Fig.1 As-cast dendritic micostructures of the alloys with different Co contents: （a）9%Co；（b）12%Co

圖2為不同Co含量合金枝晶干和枝晶熱處理組織。合金固溶處理時，枝晶間粗大的γ′相全部溶解，共晶團幾乎全部溶解，獲得單相γ組織。快速冷卻過程中大量的γ′相從γ相中析出，再經過時效處理，獲得立方化的γ′相組織。在相同的凝固和熱處理工藝條件下，合金枝晶干比枝晶間的γ′相立方化程度好，枝晶干的γ′相比枝晶間γ′相尺寸小。由圖像分析軟件計算得出，兩種合金的枝晶干和枝晶間的γ′相尺寸無明顯變化，都分別為0.39 μm和0.47 μm；兩種合金的γ基體通道尺寸分別為49 nm和51 nm；還可看出，隨著Co含量的增加，立方化程度稍有減小。

2.2 Co 含量對合金組織穩定性的影響

圖3為9%Co合金980 ℃長期時效組織。由圖3可以看出，隨著時效時間增加，γ′相尺寸增加仍保持立方狀形貌，γ基體通道增加。800 h時效后無TCP相析出，2000 h時效后，枝晶干上析出極少量針狀TCP相，9%Co合金具有較好的組織穩定性，TCP相形貌如圖4所示，能譜分析見表2，可以看出，TCP相富含Re、W等元素。

圖5為12%Co合金980 ℃長期時效組織。由圖5可以看出，隨著時效時間增加，γ′相尺寸增加，但仍保持立方狀形貌，γ基體通道增加。2000 h時效后，無TCP相，12%Co合金具有優異的組織穩定性。與圖3相同長期時效時間組織對比看出，隨著Co含量增加，γ′相尺寸增大，立方化程度降低。這說明Co促進長期時效過程中γ′相長大，但減少了TCP相的析出，提高了合金的組織穩定性。

圖2 不同 Co 含量合金熱處理組織 （a）枝晶干，9%Co；（b）枝晶間，9%Co；（c）枝晶干，12%Co；（d）枝晶間，12%CoFig.2 Micostructures of the alloys with different Co contents after the heat treatment （a）dendritic core，9%Co；（b）interdendritic，9%Co；（c）dendritic core，12%Co；（d）interdendritic，12%Co

利用JMatPro相圖計算軟件及相應的單晶高溫合金數據庫，研究不同Co含量合金中的相平衡情況。合金計算體系總量為100，各元素按質量分數輸入，數據庫中可能存在的平衡相不加任何限制條件。合金中的平衡相與Co含量關系如圖6所示。結果表明，合金在兩個溫度下的平衡相包括基體相γ、強化相γ′、MC、不穩定相μ。由圖6看出，隨著Co含量的增加，γ相體積分數顯著增加，γ′相體積分數顯著降低，TCP相稍有降低。在兩個溫度下，當Co含量分別約小于4.8%和7.5%時，無TCP相存在。從計算結果可以看出，隨著Co含量由9%增加到12%，合金γ′相體積分數減少，組織穩定性增加，這與上面的長期時效的實驗結果一致。合金中TCP相的析出主要原因為γ相中Re、W等高熔點元素的過飽和引起的[19-20]。隨著Co含量增加，γ相體積分數增加，Re、W等高熔點元素的過飽和程度降低，因而提高了合金組織穩定性。

2.3 Co 含量對合金持久性能的影響

表3為Co含量對合金980 ℃/300 MPa條件下持久性能的影響。由表3看出，隨著Co含量增加，合金的持久壽命顯著降低，伸長率稍有增加。

合金的組織決定合金的持久性能。宏觀上單晶高溫合金由枝晶組織組成，枝晶間存在顯微疏松、成分偏析等缺陷，高溫下合金的枝晶間強度較低，顯微裂紋首先在枝晶間產生。隨著Co含量增加，合金的枝晶間距增大，增加了合金枝晶間在高溫載荷下的裂紋萌生和擴展概率，因而降低合金的持久性能[21-23]。從微觀上考慮，單晶高溫合金主要由γ和γ′兩相組成。γ′作為沉淀強化相，其尺寸、形態和體積分數對單晶高溫合金力學性能有重要的影響。在單晶高溫合金高溫變形過程中，位錯先在γ相中運動，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。隨著γ′相體積分數的增加，γ/γ′相界面面積增大，形成的位錯網密度增高，能夠有效地阻礙后續位錯剪切通過γ′相，能減小合金的變形速率[24-25]。隨著Co含量增加，合金的γ′相體積分數顯著增加，有助于提高合金的持久性能。在高溫下，9%Co合金的γ′相比12%Co合金合并長大速率小，這也有助于合金具有較高的強度。Co為γ基體形成元素，可以固溶強化基體，Co 的原子半徑（0.167 nm）與 Ni（0.162 nm）相差不大，因此其固溶強化效果甚為微弱。雖然隨著Co含量增加，合金γ′相的穩定性稍有降低，在980 ℃時效2000 h無TCP相析出，但對于壽命遠小于2000 h的持久性能影響較小。綜合以上原因，隨著Co含量增加，合金的持久性能降低。

圖3 9%Co 合金 980 ℃ 長期時效組織 （a）枝晶干，400 h；（b）枝晶間，400 h；（c）枝晶干，800 h；（d）枝晶間，400 h；（e）枝晶干，2000 h；（f）枝晶間，2000 hFig.3 Microstructures of 9%Co alloy after long term aging at 980 ℃ （ a） dendritic core，400 h； （ b） interdendritic，400 h；（c）dendritic core，800 h；（d）interdendritic，800 h；（e）dendritic core，2000 h；（f）interdendritic，2000 h

圖4 9%Co 量合金 980 ℃ 長期時效 2000 h 析出的 TCP 相 （a）低倍；（b）高倍Fig.4 TCP precipitates in the microstructures of 9%Co alloy after long term aging at 980 ℃ for 2000 h （a）low magnification；（b）high magnification

表2 9% Co 合金析出 TCP 相的化學成分（質量分數/%）Table 2 Chemical composition of TCP phase in 9% Co alloy（mass fraction/%）

圖5 12%Co 合金 980 ℃ 長期時效組織 （a）枝晶干，400 h；（b）枝晶間，400 h；（c）枝晶干，800 h；（d）枝晶間，400 h；（e）枝晶干，2000 h；（f）枝晶間，2000 hFig.5 Microstructures of 12%Co alloy after long term aging at 980 ℃ （a）dendritic core，400 h；（ b） interdendritic，400 h；（c）dendritic core，800 h；（d）interdendritic，800 h；（e）dendritic core，2000 h；（f）interdendritic，2000 h

表3 Co 含量對合金 980 ℃/300 MPa 條件下持久性能的影響Table 3 Effect of Co content on stress rupture properties of the alloy at 980 ℃/300 MPa

圖6 合金中各平衡相與 Co 含量的關系 （a）1100 ℃；（b）1140 ℃Fig.6 Relationship between every stable phase and Co content in the alloy （a）1100 ℃；（b）1140 ℃

3 結論

（1）隨著Co含量增加，合金的一次枝晶間距增加，共晶含量減少。

（2）隨著Co含量的增加，合金枝晶干和枝晶間的γ′相尺寸無明顯變化，立方化程度稍有減小，γ基體通道尺寸稍有增加，γ′相體積分數減少。

（3）隨著Co含量增加，長期時效過程中γ′相合并長大速率增大，時效2000 h無TCP相析出，合金的組織穩定性提高。

（4）隨著Co含量增加，合金的持久性能降低。