不同元素对镍基合金铸态组织的影响

刘朋柱

摘 要：镍基单晶高温合金是一种应用于航空发动机涡轮叶片的重要合金，镍基单晶高温合金能够在航空发动机涡轮叶片工作时的恶劣工况条件下获得良好的使用性能。镍基单晶高温合金的性能与镍基单晶高温合金的凝固组织有着密切的联系，为获取更好的使用性能需要了解不同元素对镍基单晶高温合金铸态组织的影响，并以此为基础开发出性能更好的镍基单晶高温合金用，以提高航空发动机的性能。

关键词： 镍基合金；铸态组织；凝固过程

中图分类号：TG132 文献标志码：A

航空发动机是一种高技术含量的工业产品，其是一个国家工业实力的重要体现。在航空发动机的生产中涡轮叶片是其中极为重要的组成部分，涡轮叶片需要在高温高压下进行运作，加之高速旋转中所受到的气动力和离心力的复合作用将使得涡轮叶片承受极为复杂的运动工况。涡轮发动机所面临的恶劣工况对航空发动机的材料提出了极高的要求，镍基单晶高温合金是一种轻质量、高温抗性、高抗拉伸强度、耐持久强度和蠕变强度的合金，将镍基单晶高温合金应用于航空发动机涡轮叶片的生产中将能够使得涡轮叶片获得较为良好的性能。而镍基单晶高温合金所具有的这些良好特性取决于镍基单晶高温合金内复杂的晶体组织。枝晶是铸造合金叶片中最常见的凝固组织，其枝晶间距、晶粒粗细及缩松夹杂与合金的机械性能有着密切的联系。为研发更高性能的镍基单晶高温合金需要积极做好镍基单晶高温合金研究，通过试验分析不同元素对镍基单晶高温合金凝固组织的影响。

1 镍基单晶高温合金中所含有的元素及对凝固组织的影响

镍基单晶高温合金金属结构复杂，其内部所含有的大量W、Mo、Ta等的难熔金属元素能够有效地提升镍基单晶高温合金的承温性。而镍基单晶高温合金中难熔金属含量的增加将使得镍基单晶高温合金的凝固组织长期在高温热暴露条件下易形成TCP相，而TCP相的形成将不利于镍基单晶高温合金力学性能的改善，甚至于还会产生较为严重的破坏导致镍基单晶高温合金的力学性能下降，无法承受涡轮叶片工作时所产生的复杂作用力。

为使得镍基单晶高温合金具有良好的性能，需要积极做好镍基单晶高温合金中各元素含量的分析，通过调节镍基单晶高温合金中各元素的含量以使得镍基单晶高温合金获得良好的性能。由于镍基单晶高温合金中难熔金属元素含量的增加将破坏凝固组织的力学性能，因此如提高镍基单晶高温合金的稳定性，就要通过采取降低镍基单晶合金组织中Cr的含量。

CMSX系列合金在不断的研发优化过程中其内部的Cr元素的含量在不断地降低。1代合金CMSX-2中Cr元素的含量占比为8%，而2代、3代CMSX系列合金中Cr元素的含量将下降至6.5%、2.3%。最近，在美国第4代航空发动机中合金EPM102中，将其中Cr元素的含量降低至2%。通过这一事例表明，难熔金属元素含量在提升镍基单晶高温合金组织稳定性的同时也会对合金凝固组织的力学稳定性产生一定的影响。镍基单晶高温合金中所含有的Cr除了具有强化作用外还能够形成Cr2O3型氧化膜，使镍基单晶高温合金在抗氧化性和耐腐蚀性方面得到加强。 镍基单晶高温合金中Cr含量降低将会导致镍基单晶高温合金的抗氧化性和耐腐蚀性能有所下降。通过试验表明， 镍基单晶高温合金中Cr含量的增加将使得镍基单晶高温合金的固相线、液相线降低，固溶热处理窗口变窄，而糊状区宽度增加，γ′相含量和组织不稳定性增加， 镍基单晶高温合金一次枝晶间距稍有减小，共晶含量增加，合金元素的枝晶偏析程度增加；合金枝晶干、枝晶间的γ′相尺寸减小，其均匀化和立方化程度稍有增加。而镍基单晶高温合金凝固时结晶形貌所受到的影响主要集中在“成分过冷”。据相关研究数据表明， 镍基单晶高温合金中的溶质浓度、液相的温度梯度和凝固速度是造成镍基单晶高温合金凝固结晶形貌产生“成分过冷”的主要因素。其中成分过冷的判别式为：

在上述公式中G代表的是镍基单晶高温合金液相中的温度梯度，R代表的是合金凝固组织界面向前推进的速度，m为合金液相线的斜率，K0为合金固液浓度分配系数，DL为液体中的扩散系数，C0为合金溶液中的溶质原始浓度。

镍基单晶高温合金中金属元素含量的改变将直接影响到合金凝固组织形貌。以Al元素为例，镍基单晶高温合金中Al元素含量的增多将会增大上述公式中的G值，致使镍基单晶高温合金的温度梯度增大，从而使得镍基单晶高温合金的成分过冷程度减小。镍基单晶高温合金凝固组织所产生的枝晶形貌也由原先的柱状树枝晶向胞状树枝晶方向转变。Al元素含量的变化对镍基单晶高温合金凝固行为的影响需要继续进行研究深入，以便为后续的镍基合金开发以及热处理工艺提供数据支撑。

钛金属是一种质量轻、耐腐蚀性、耐高温性都较好的金属，钛元素的化学活泼性较强，其能够通过与铝相结合以固溶体形式存在，存在于铝中的钛的固溶体一部分形成了TiAl3的化合物，TiAl3所具有的晶格形式与 Al的晶格相似，TiAl3的晶格为四面晶体结构，它与面心立方晶格的α相之间有下述的晶面对应：（001）Al∥（001）TiAl3，[001]Al∥[001]TiAl3，（211）Al∥（001）TiAl3，两者的晶格常数也相近（Δr/r≈6%），且TiAl3具有更高的熔点，其能够以较为稳定的形式在基体中长期存在。因此所形成的TiAl3能够作为α相的结晶核心，从而细化晶粒。

试验表明在665℃下将发生L（液）+Ti3Al→α（Al） 的包晶反应，而包晶反应所形成接近平衡冷却所测得的相图则与实际反应存在着一定的差异。在实际生产中包温合金是在非平衡冷却条件下所形成的，由于冷却不均匀加之各部冷却速度的差异致使TiAl3固溶结晶的成分也不均匀，容易产生晶内偏析（枝晶偏析）。

由于各部冷却不平衡致使包晶反应扩散困难，在TiAl3固溶结晶冷却到一定的程度后包晶反应甚至会被抑制，剩下的液体在持续冷却下将直接析出固相。而这些未转变的固相就被保留在后析出的固相之中。在这一包晶反應过程中就造成了共晶相的基体上有先包晶的树枝状初晶，两相依次形成。通过上述分析后可以发现存在于镍基单晶高温合金中的钛元素将能够使得铸态晶粒得到明显的细化。镍基单晶高温合金需要具有良好的力学性能和耐高温、耐腐蚀特性，随着航空发动机推重比要求的提升，增加航空发动机的温度是最直接也是最高效的方法之一，而这就对镍基单晶高温合金的研制提出了更高的要求。镍基单晶高温合金的性能受其内所含有的金属元素及形成工艺的影响，在研究高性能镍基单晶高温合金的过程中应当积极做好各种合金元素含量对合金组织和性能的影响研究，并加紧对于镍基单晶高温合金制备工艺的试验，用以形成良好的凝固组织，提高镍基单晶高温合金的各项性能。

结语

镍基单晶高温合金是现今应用于航空发动机涡轮叶片的主要材料，应当积极做好镍基单晶高温合金的研究与开发，以高性能的镍基单晶高温合金进一步推动航空发动机的发展。本文在分析镍基单晶高温合金特点的基础上对几种元素对镍基单晶高温合金的性能影响进行了分析介绍。

参考文献

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