［011］取向DD6单晶高温合金薄壁持久性能

刘维维，李 影，刘世忠，李嘉荣

（北京航空材料研究院 先进高温结构材料国防科技重点实验室，北京100095）

［011］取向DD6单晶高温合金薄壁持久性能

刘维维，李 影，刘世忠，李嘉荣

（北京航空材料研究院 先进高温结构材料国防科技重点实验室，北京100095）

采用薄壁试样研究了760，980，1070℃条件下［011］取向第二代单晶高温合金DD6的持久性能。结果表明：与标准试样（直径5mm）相比，DD6单晶高温合金薄壁试样的持久寿命与之相当。对合金760℃／590MPa，980℃／270MPa及1070℃／270MPa条件下组织分析发现：760℃合金γ′相局部发生变形，980，1070℃条件下DD6合金γ′相发生了定向粗化，形成筏排。

单晶高温合金；DD6；薄壁性能；持久寿命

随着航空发动机涡轮工作温度的不断提高，涡轮叶片内腔结构日趋复杂，这种空心内腔气冷薄壁结构要求涡轮叶片的壁非常薄，在此情况下，材料性能与标准试样相比可能有所变化，由此产生薄壁效应［1］。镍基单晶高温合金由于具有优良的高温性能，是目前制造先进航空发动机燃气涡轮叶片的主要材料。Seetharaman［2］研究发现，PWA1484合金机加后薄壁试样厚度从3.18mm降低到0.38mm，760℃／758MPa蠕变寿命降低60%，但是机加后薄壁试样厚度对871℃和982℃持久寿命影响相对有限。Doner［3］等发现，当施加应力低于275MPa，未加涂层的CMSX－3合金试样受厚度影响显著。张强［4］对一种定向凝固高温合金的管状薄壁试样（δ＝1.0～1.4mm）研究发现，薄壁试样的持久性能与标准试样（直径5mm）相比无明显下降，主要原因是薄壁试样的凝固速率快，使得枝晶密度增大，每个枝晶实际承受载荷减小。中温持久寿命对壁厚更为敏感，但单晶及定向凝固合金的薄壁效应比普通铸造合金要小［5］。

与多晶材料相比，单晶高温合金的一个显著特征为各向异性，单晶高温合金的持久性能具有明显的取向依赖性。刘金来［6］等测定了一种镍基单晶高温合金［001］，［011］，［111］取向高温持久性能，结果表明：［001］方向塑性最好，［111］方向寿命最长，而［011］方向各性能指标较低。赵乃仁［7］等对一种无铼单晶合金871℃／552MPa及1010℃／248MPa持久性能测试后发现，［011］方向持久寿命最低。

尽管［001］取向的综合性能较优，而且单晶叶片的［001］取向与叶片工作时的主应力轴方向平行，但叶片的复杂形状及各部分的温度梯度仍会产生多轴应力［8］。为了优化单晶叶片的设计，充分利用高温合金优异的高温强度，应开展［001］，［011］，［111］取向合金的薄壁性能研究。本工作选择760，980，1070℃条件下［011］取向的DD6合金进行薄壁持久性能研究，并与标准试样（直径5mm）持久性能进行对比。

1 试样制备和实验方法

在ZGD－1真空感应定向凝固炉内采用籽晶法制备［011］取向的DD6合金单晶试板，铸造单晶试板尺寸为130mm×30mm×10mm，母合金化学成分控制如文献［9］所示。用劳埃X射线法测定单晶试板的结晶取向，加工后的力学性能试样［011］结晶取向与试样主应力轴方向偏离小于10°。

按照标准热处理工艺对DD6单晶试板进行热处理，热处理制度为1290℃，1h＋1300℃，2h＋1315℃，4h空冷＋1120℃，4h空冷＋870℃，32h空冷。

将热处理后的试板按照要求加工成板状薄壁试样，具体形状和尺寸如图1所示。测试760，980，1070℃条件下薄壁持久性能，沿垂直于［011］取向切取金相试样，采用扫描电镜分析 ［011］取向合金组织演化特征。

图1 薄壁试样尺寸Fig.1 Size of thin－wall specimen

2 结果及讨论

2.1 实验结果

对［011］取向DD6合金的原始数据处理后得到760，980，1070℃条件下DD6合金的薄壁持久极限（中值），如表1所示。

表1 薄壁试样的持久极限（中值）（MPa）Table 1 Stress－rupture strength of thin－wallspecimens（median）（MPa）

将表1数据进行处理后，得到如下方程：

（a）拉森－米勒持久方程（L－M）：

式中：t为持久断裂时间；T＝（9θ／5＋32）＋460；θ为摄氏温度（℃）；x＝lgσ；标准差为0.0268；相关系数为0.9937。［011］取向DD6合金不同温度的持久应力－寿命曲线（中值）如图2所示。由图2可知合金持久性能按760，980，1070℃递减。

图2 薄壁试样的持久应力－寿命曲线（中值）Fig.2 Stress－rupture life curves of thin－wall specimens（median）

（b）曼森－索克普持久热强参数综合方程（M－S）：

式中：σ为应力；P为热强参数；P＝lgt＋0.00746062T；T＝（9θ／5＋32）＋460；θ为摄氏温度（℃）；标准差为0.1296；相关系数为0.9440。DD6合金的持久热强参数综合曲线如图3所示。由图3可知合金持久性能随应力增加而递减。

DD6合金薄壁试样及标准试样的持久寿命如图4所示。由图4可知：与标准试样相比，760，980℃和1070℃薄壁试样的持久寿命与之相当，无明显薄壁效应。

2.2 显微组织

图5为合金760℃／590MPa，980℃／270MPa及1070℃／270MPa条件下薄壁试样断口附近和肩部的组织形貌。图5（a），（c），（e）为试样断口附近组织，5（b），（d），（f）为试样肩部组织，由图5可知，肩部组织γ′相分布均匀，排列规则。图5（a）中，γ′相局部发生变形，并未见明显粗化及筏排；图5（e）中，γ′相沿［100］发生了整齐规则的筏排化；图5（c）中，γ′相组织显得零乱而且分散，γ′相筏排组织已发生较大程度的纵向合并，并已经解筏。可知断口附近和肩部组织差异主要是两区域温度场和有效应力的差别。随着温度和应力的提高，塑性变形程度增加，γ′相的筏排扭曲及粗化程度加剧。

760℃／590MPa试样的持久寿命为326.5h，未发生筏排化；相同应力条件下，980℃／270MPa试样的持久寿命为253.6h，而1170℃／270MPa试样的持久寿命为10h，γ′相均发生筏排化，可见，温度是影响筏排化的主要因素。这与合金在高温外加载荷作用下发生筏排化主要是合金元素扩散的结果相吻合［10］。

图6为合金760℃／590MPa，980℃／270MPa条件下薄壁试样断口形貌。760℃试样断口平坦、光滑，为类解理断裂平面，该平面与试样主应力轴夹角大约63°，表明该平面为｛111｝晶面。随测试温度的升高，合金元素扩散速率加快，塑性变形更为均匀，980℃试样断口呈现韧窝断裂的特征，且与主应力轴成45°夹角，这与γ′相沿［100］发生筏排的结果一致［11］。

图6 薄壁试样断口形貌 （a）760℃／590MPa；（b）980℃／270MPaFig.6 Fracture microstructures of the thin－wall specimens （a）760℃／590MPa；（b）980℃／270MPa

3 结论

（1）760，980℃和1070℃条件下，与标准试样相比，［011］取向DD6合金薄壁试样的持久寿命与之相当，无明显薄壁效应。

（2）760℃／590MPa条件下，γ′相局部发生变形，并未见明显粗化及筏排；980℃／270MPa及1070℃／270MPa条件下，DD6合金γ′相发生了定向粗化，形成筏排。

（3）760℃／590MPa 试 样 断 口 为 类 解 理 断 裂。980℃／270MPa及1070℃／270MPa试样断口呈现韧窝断裂的特征。

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Thin－wall Stress Rupture Properties of Single Crystal Superalloy DD6with［011］Orientation

LIU Wei－wei，LI Ying，LIU Shi－zhong，LI Jia－rong
（National Key Laboratory of Science and Technology on Advanced High Temperature Structural Materials，Beijing Institute of Aeronautical Materials，Beijing 100095，China）

Thin－wall stress rupture properties of the second generation single crystal superalloy DD6 with［011］orientation were investigated at 760，980℃and 1070℃.The results show that the stressrupture lives of thin－wall specimens are equivalent to those of standard specimens.The microstructures of the alloy were studied at 760℃／590MPa，980℃／270MPa and 1070℃／270MPa，theγ′phase occurs local deformation at 760℃，and the directional coarseningγ′phase occurs and the rafting is formed at 980℃and 1070℃.

single crystal superalloy；DD6；thin－wall property；stress－rupture life

TG132.3

A

1001－4381（2011）08－0024－04

2010－07－06；

2011－03－09

刘维维（1980－），女，硕士，工程师，从事单晶高温合金方面研究，联系地址：北京市81信箱1分箱（100095），E－mail：Liuww＿80＠sina.com