两种取向Ｎｉ３Ａｌ基单晶高温合金的组织和拉伸性能

刘丽荣 王锐琛 田素贵

摘 要：为了研究晶体取向对Ｎｉ３Ａｌ基单晶高温合金组织和力学性能的影响，采用掃描电镜和拉伸试验机研究了［００１］和［１１１］两种取向合金的显微组织和拉伸性能．结果表明：经过热处理后，在单晶棒横截面内［００１］取向合金γ′相为立方形，［１１１］取向合金γ′相为三角形或六角形；［００１］和［１１１］取向合金存在屈服强度随温度升高而升高的反常屈服现象；［００１］与［１１１］取向合金均呈现明显加工硬化现象，两种取向合金的屈服强度峰值范围分别为６００～８００℃与４００～６００℃；两种取向合金均表现为韧性断裂．

关 键 词：Ｎｉ３Ａｌ基单晶高温合金；热处理；晶体取向；组织；拉伸性能；加工硬化；双屈服现象；断裂方式

中图分类号：ＴＧ１４６ 文献标志码：Ａ 文章编号：１０００－１６４６（２０２３）０２－０１５６－０５

随着近几年航空和船业所用发动机性能的不断提高，发动机入口处温度也不断提高，因而对服役高温材料提出了更严格的要求．高温合金在服役时不仅要具有良好的稳定性，还要具有优异的抗高温能力，有研究表明其服役温度已高达１１００℃［１］，逐渐接近高温合金材料的熔点，继续提高其使用温度难度很大．通过添加难熔元素不仅会使合金发生严重偏析，在高温下还会析出ＴＣＰ脆性相，容易在合金服役时成为裂纹源，减少合金使用寿命并增加合金使用成本，还可使合金密度变大，因而在使用时受到较高的离心力作用，同时比强度差也会导致合金极易断裂，这与减轻发动机质量、提高合金使用寿命的思路相悖．因此，开发低密度兼具优异性能的高温合金具有重要意义，研发新型高温材料来替代发动机中的热端部件成为当前科学界面临的巨大挑战［２］．Ｎｉ３Ａｌ基单晶高温合金是近年来发展的一种高温结构材料，具有成本低、高温强度好的特点［３－５］．到目前为止，国内发展了ＩＣ６、ＩＣ１０和ＩＣ２１合金［６］．在航空发动机中单晶高温合金主要用来制作热端部件（如涡轮叶片），涡轮叶片在使用中主要受力为轴向离心力，同时也存在热应力和榫头处的复杂应力［７］．相关研究［８］发现，在相同实验条件下［１１１］与［００１］两种取向合金的持久寿命差别很大，［１１１］取向合金的持久寿命远高于［００１］取向合金，说明Ｎｉ３Ａｌ基单晶高温合金具有明显的各向异性．本文通过研究两种取向的高性能Ｎｉ３Ａｌ基单晶高温合金的组织形貌以及在不同温度下的拉伸力学性能，分析其断裂方式，以期为航天发动机进一步发展提供实验依据．