新型镍基单晶高温合金初熔组织的形成

郭振涛

摘 要：本文對两种新型无铼单晶高温合金B11、B21的初熔组织形成过程进行了研究。首先利用热力学计算的方法得出了两种单晶高温合金的热处理窗口，确定了两种合金的固相线温度分别为1312℃和1313℃。结果表明：1320℃初熔实验微观组织表征中可以看到，B11合金中出现了大量的初熔组织，而这个温度与B21的初熔温度接近;初熔组织首先在合金的共晶相附近出现，随着温度的升高，初熔组织逐渐连接形成较大的孔洞。

关键词：新型无铼镍基单晶高温合金;初熔组织;共晶相

镍基单晶高温合金由于在高温下依然能够保持较为稳定的拉伸、蠕变和抗腐蚀性能，而被广泛的用于制作航空发动机中的高压涡轮叶片和热端部件[1-2]。与其他类型的高温合金相比，单晶高温合金由于消除了晶界缺陷，所以，在高温下其性能更加稳定，甚至其中一些单晶高温合金的使用温度在0.9T熔以上[3]。这种优异的性能促进了单晶高温合金的快速发展。

单晶高温合金的铸态组织中也存在着大量的缺陷，如碳化物、共晶相、枝晶组织等，严重削弱了合金的力学性能。这些缺陷的出现本质上都是元素的偏析行为。因此，通常需要对铸态单晶高温合金进行固溶处理。在合金固溶处理的过程中，通常选用尽可能高的固溶温度，一方面可以加快合金元素的扩散，使合金元素均匀化[4];另一方面可以节约合金的热处理时间，从而节约合金的制造成本。但固溶温度过高，在固溶组织中会出现初熔组织，影响合金的性能，因此测定合金的初熔温度以及研究合金初熔组织的形成过程对设计合金的热处理制度非常重要。

本文所研究的两种单晶高温合金是基于第二代镍基单晶高温合金所设计的两种新型无铼单晶高温合金。基于TC热力学计算和实验验证的方法对合金初熔组织形成过程进行了研究，为该类合金在以后的热处理制度的制定上提供了理论依据。

1 实验方法

通过真空感应熔炼（VIM）的方法制备母合金锭，然后在高温度梯度的定向凝固炉中，将母合金锭浇注成直径15mm、长170mm的单晶高温合金试棒，模具的抽拉速度为3.0mm/min。利用晶体衍射仪选取试棒的轴向与<001>方向偏离角在10°以内的试棒作为研究对象。实验所用的两种合金，其化学成分如表1所示，合金元素含量的差别主要在于Mo、W元素含量的不同。

采用Thermo-Calc软件结合TTNi8的热力学数据库对合金的固相线温度、液相线温度、γ'相分数等进行了计算，计算结果如表2所示。合金的初熔实验是在CM高温热处理炉中进行，炉温事先经过实验校准误差在±5℃。首先利用电火花线切割机将单晶试棒切割成直径15mm×6mm的圆柱试样，将试样放在小坩埚中，并将坩埚放置在热电偶附近，保证测温数据的准确性。然后将试样加热到预定温度保温30min，以保证试样整体达到该温度，等到加热结束对试样进行空冷处理。空冷后的试样，经过充分磨制去除表面氧化层的影响后，进行抛光和腐蚀，最后利用光学显微镜（OM）和扫描电镜（SEM）对其进行组织表征。样品采用化学腐蚀的方法，腐蚀剂为：33%HNO3+33%H2O+33%Acetic acid+1%HF。金相制备完毕后，在Leica DM4000M光学显微镜下对其铸态组织进行观察，并在Quanta650扫描电子显微镜下对其初熔组织进行表征。

2 实验结果与讨论

2.1 单晶高温合金铸态组织

两种合金横截面和纵剖面的铸态组织形貌如图1所示，其中图1a、图1c为B11、B21合金试样的横截面微观形貌，图1b、图1d为B11、B21合金试样的纵剖面微观形貌。从图中我们可以看出两种合金均有明显的枝晶偏析行为，二次枝晶的生长方向分别是[010]和[100]方向。横截面的枝晶生长呈“+”字状，且枝晶排列有序，在枝晶间还可以观察到大量的共晶相存在，但是对比B11和B21两种合金的枝晶偏析行为也存在明显的差异，可以看出B21合金中共晶相的含量要高于B11合金，且B21合金的枝晶组织更为明显，这种现象主要是由元素含量的不同引起偏析程度的不同所造成的[5]。

根据两种单晶高温合金的热力学计算结果，将两种合金的初熔实验温度定为4个温度，分别为：1320℃、1330℃、1340℃、1350℃。合金的加热方式为：首先将炉子以15℃/min的速率升温到1250℃，然后再以5℃/min的速率升到目标温度，保温30min，最后空冷，加热曲线如图2所示。空冷后的试样按照实验部分的方法进行准备，对不同温度初熔实验后的样品进行组织表征，其结果如图3所示。经过初熔实验，两种合金中的偏析行为均有所减轻。在1320℃初熔实验后，可以看到B11合金出现大量的初熔组织，而在B21合金中几乎看不到初熔组织，直到1330℃才观察到有明显的初熔组织出现，且两种合金的初熔组织都在共晶相周围出现。随着温度的进一步升高，初熔组织发生连接形成孔洞缺陷。根据已有的文献[6-7]报道，合金的初熔组织首先会在共晶相或枝晶间出现，主要是因为这些区域富集大量的低熔点元素C、B等，通常这些元素的含量越高合金的初熔点越低。

3 结论

（1）本研究所选用的合金铸态组织明显，横截面的枝晶组织呈“+”字形貌，共晶相主要出现在两种合金的枝晶间区域。通过对比可以发现B21合金有更加明显的偏析倾向。

（2）从1320℃两种合金的初熔实验微观组织表征结果中可以看到，B11合金中出现了大量的初熔组织，而这个温度与B21的初熔温度接近。

（3）从这两种合金的初熔实验组织表征结果中可以发现，单晶高温合金的初熔组织首先在共晶相和枝晶间出现，随着温度的升高相邻的初熔组织会连接在一起形成初熔通道，最后变为孔洞。

参考文献：

[1]Giamei A F.Development of Single Crystal Superalloys：A Brief History[J].Advanced Materials & Processes，2013，171（9）：26-30.

[2]陈荣章.单晶高温合金发展现状[J].材料工程，1995，000（008）：3.

[3]郭建亭.高温合金材料学.上册[M].科学出版社，2008.

[4]Caldwell E C，Fela F J，Fuchs G E.The segregation of elements in high-refractory-content single-crystal nickel-based superalloys[J].Jom，2004，56（9）：44-48.

[5]Long F，Yoo Y S，Seo S M，et al.Effect of Re Addition and Withdrawal Rate on the Solidification Behavior of Directionally Solidified Superalloy AM3[J].材料科学技术学报：英文版，2011，027（002）：101-106.

[6]Ojo O A，Richards N L，Chaturvedi M C.On incipient melting during high temperature heat treatment of cast Inconel 738 superalloy[J].Journal of Materials Science，2004，39（24）：7401-7404.

[7]Jahangiri M R，Boutorabi S M A，Arabi H.Study on incipient melting in cast Ni base IN939 superalloy during solution annealing and its effect on hot workability[J].Materials Science & Technology，2012，28（12）：1402-1413.