定向凝固和单晶高温合金的再结晶研究

第 1期
张
兵, 姜
涛 , 陶春虎 : 定向 凝固和单晶高温合金的再结晶研究
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陷。然而, 如果叶片在生产过程中受到冷变形 , 如 磕碰、 吹砂、 机械加工等, 又在高于再结晶温度下 停留 , 叶片就会发生再结晶。定向凝固和单晶高温 合金的再结晶与变形金属的再结晶有着本质区别。 1. 1 再结晶温度定义的局限性 对于变形合金而言, 再结晶温度是指经过大 量变形 ( 变形度 > 70 % ) 的合金在约 1h 的保温时 间内, 能够完成再结晶 ( 再结晶体积分数 > 95 % ) 的最低加热温度。定向凝固和单晶高温合金在制 造过程中一般不经历冷变形过程, 因此, 这一定义 不适用于定向凝固和单晶高温合金。 1. 2 再结晶对材料的影响 变形金属的再 结晶在工程上 得到广泛 的应 用 , 如利用再结晶使晶粒得到细化从而提高金属 的强度、 塑性和疲劳强度。同时 , 变形金属再结晶 后的组织与冷加工前的组织是相同的 , 再结晶后 合金的性能与冷加工前的性能也大致相同。例如 一种合金经冷拉加工时, 因为加工硬化而塑性降 低 , 继续冷拉成形很困难。若将此半成品给予再 结晶退火 , 合金的塑性得以恢复, 因而容易变形, 可以继续冷拉加工。 与变形金属的再结晶不同 , 定向凝固和单晶 高温合金再结晶前后的组织形貌完全不同, 再结 晶形成的等轴晶粒与基体 的柱状晶存在 本质差 别。再结晶组织在定向凝固和单晶高温合金中引 入了横向晶界, 降低了合金的性能, 尤其是高温持 久、 疲劳等性能。 1. 3 定向凝固和单晶高温合金的再结晶特点 1. 3. 1 再结晶基本局限于表面 定向凝固和单晶高温合金一般不经历冷变形 过程, 因此, 从理论上讲, 定向凝固和单晶高温合 金在正常情况下不会出现再结晶 , 除非在叶片生 产过程中受到偶然的冷变形 , 如磕碰、 吹砂、 机械 加工等 , 而这些工艺过程导致的冷变形基本局限 于表层 , 在高于再结晶的温度下形成表面再结晶 层 , 这与变形合金有着本质的区别。 1. 3. 2 再结晶温度较高 对于大多数变形合金而言 , 其发生完全再结 晶的温度约为 0 . 4~ 0 . 6 T m ( Tm 为合金的熔点, 单 位为 K ); 但对镍基定向凝 固和单晶高温 合金而 言 , 其熔点大约在 1 600K, 按 0 . 4~ 0 . 6 T m 估算, 其再结晶温度仅处于 640~ 960K 之间, 远低于目 前所测定的大多数镍基定向凝固和单晶高温合金 开始发生再结晶的温度。采用金相分析的方法,
[ 收稿日期 ] 2010 年 2月 5日 [ 修订日期 ] 2010年 4月 10 日
的疲劳和持久寿命; 因此, 再结晶问题在定向凝固 和单晶高温合金的研究中倍受关注。 本文针对近年来国内外对于定向凝固和单晶 高温合金再结晶的研究, 系统地介绍了定向凝固 和单晶高温合金再结晶的特点、 主要影响因素、 再 结晶对力学性能的影响以及再结晶的控制和抑制 方法。
图 1
SR R99 单晶高温合金在低于固溶温度下 形成的胞状再结晶组织
Fig. 1 C ellu lar recrystallized m icrostructure of SRR 99 SC superalloy after heat t reat m en t below the solu tion tem perature
1 再结晶的特点
定向凝固和单晶高温合金作为现代发动机涡 轮转子叶片得以广泛应用, 其主要原因在于消除 了垂直于应力轴方向的横向晶界 , 使晶界不再成 为断裂的萌生源。因此, 对定向凝固和单晶高温 合金而言, 不应含有与应力轴相垂直的晶界及缺
[ 作者简介 ] 张兵 ( 1978年 - ) , 男 , 博士 , 工程师 , 主要从事材料的结构与损伤等方面的研究。
单晶高温合金的优异性能主要来源于消除了与主应力轴垂直的晶界 , 而再结晶的出现会显著降低合金的 高温力学性能。针 对近年来国内外对于定向凝固和单晶高温合金再结晶的研究 , 系统 地介绍了定向 凝固和单晶高温 合金再结晶 的特点、 主要 影响因素、 再结晶对力学性能的影响以及再结晶的控制和抑制方法。 [ 关键词 ] 定向凝固高温合金 ; 单晶高温合金 ; 再结晶; 力学性能 [ 中图分类号 ] O 783 [ 文献标志码 ] A do : i 10 . 3969 / . j issn. 1673 6214 . 2011 . 01. 013 [ 文章编号 ] 1673 6214 ( 2011) 01 0056 09
2011 年 1 月 第 6卷 第 1期
失效分析与预防
January , 2011 V o. l 6, N o . 1
定向凝固和单晶高温合金的再结晶研究
张 兵, 姜 涛, 陶春虎
( 北京航空材料研究院 , 中国航空工业集团公司失效分析中心 , 北 京 100095)
[摘 要 ] 定向凝固和单晶高温合金具有优异的高温力学性 能 , 是制造先进 航空发动机涡轮 叶片的主要材料。 定向凝固和
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晶界迁移的阻力 , 有助于再结晶的进行。 2. 4 再结晶形核位置和组织演变 Jo 等人
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研究了 CM SX - 2喷丸试样在略低
于固溶温 度下的再结晶组 织演变过程。结果显 示 , 枝晶干区域的细小 相最先溶解 , 再结晶晶 粒首先在枝晶干区域形核并生长 , 枝晶间区域粗 大 相以及 / 共晶相的溶解较为困难, 对再结
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失效分析与预防
第 6卷
图 2
SRR 99单晶高温合金在固溶温度下形成的完整再结晶晶粒
F ig. 2 W el l developed recrystallized gra ins of SRR 99 SC superalloy after heat treat m en t at th e solu tion temp erature
Recrystallization of D irectionally Solidified and Single Crystal Superalloys
ZHANG B ing , JI ANG T ao, TAO Chun hu
(A VIC F ailure A naly sis C enter, Beijing Institu te of A eronauticalM aterials , Beijing 100095 ) Abstrac t : W ith ex cellent high te m pe rature m echan ica l properties , directionally so lid ified( DS ) and sing le crysta l( SC ) blades have been introduced into m ost of the advanced aero eng ines . T he ex ce llent m echan ica l properties of DS and SC superalloys m a inly result fro m the e li m ination o f the grain boundar ies perpendicu la r to the m a in stress ax is. S ince recrystallized grains m ay introduce d isadvan tageous o rientations and high ang le g ra in boundar ies , they w ill dram atica lly reduce the m echan ica l properties o f D S and SC co m ponen ts . Based on the overseas and do m estic studies on recrystallization of D S and SC supera lloys , the cha racte r istics and m ain influenc ing factors o f recry sta llization, the effec t of recrysta llization on m echan ica l properties , and the m easures for inh ib iting recrysta lliza tion w ere introduced. K ey word s : d irectiona lly so lidified supera lloy ; sing le crysta l superalloy ; recrysta llization ; mechan ica l property
晶直接破坏了合金的组织形态, 会显著降低叶片
0 引言
定向凝固和单晶高温合金具有优异的高温力 学性能 , 已广泛应用于制造航空发动机涡轮叶片。 随着铸造高温合金涡轮叶片研究工作的深入, 人 们发现 , 铸造涡轮叶片 , 无论是等轴晶还是定向或 单晶叶片, 在制造和使用过程中均存在一个不容 忽视的问题 表面再结晶。铸造涡轮叶片的表 面再结晶是由于叶片在制造过程中经历了表面机 械处理 ( 如吹砂、 机械抛光 等 ) 而产生塑 性变形, 随后又经固溶、 退火等高温处理或在使用中受高 温、 高压燃气的作用而产生的。对变形合金或普 通铸造合金叶片而言, 再结晶使叶片表面处于细 晶状态 , 对叶片疲劳裂纹的萌生有良好的阻抑作 用 , 但对定向凝固和单晶高温合金叶片而言, 再结
度低于 低。
相 的固溶 温度时 , 再结晶 速率显 著降
用导致了表层
相的溶解 , 减少了再结晶形核和
文献 [ 2- 4] 研究了热处理 温度对定向凝固 和单晶高温合金再结晶厚度的影响, 结果显示 : 随 着热处理温度升高, 再结晶厚度逐渐增加 , 特别是 当热处理温度接近 相的固溶温度时, 再结晶厚 度随温度的升高而显著增加。 上述研究表明, 热处理温度对定向凝固和单 晶高温合金的再结晶方式、 再结晶速率以及再结 晶程度均有显著影响, 是定向凝固和单晶高温合 金再结晶的最重要影响因素。 2. 2 第二相粒子对再结晶的影响 刘丽荣等人
对 DZ4 、 DZ22、 DZ125 、 DZ125L 等定向凝固高温合 金以及 DD3 、 SRR99 等单晶高温合金的再结晶温 度进行了测定, 发现这些合金开始发生再结晶的 温度基本上处于 1 273~ 1 323K 范围内
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。
2 静态再结晶
任何金属材料经过一定量的塑性变形后, 在 高温下均会发生再结晶, 这一规律适用于等轴晶、 [ 6] 柱晶和单晶高温合金 。同普通金属材料一样, 定向凝固和单晶高温合金的再结晶也分为静态再 结晶和动态再结晶。关于定向凝固和单晶高温合 金的静态再结晶 , 国内外的研究主要围绕再结晶 的形成条件、 影响因素以及组织演变等方面展开。 2. 1 热处理温度对再结晶的影响 热处理温度是影响定向凝固和单晶高温合金 再结晶的关键因素, 因而最受关注。文献 [ 5, 7 8] 在研究热处理温度对再结晶 组织的影响时发 现 , 定向凝固和单晶高温合金的再结晶方式与热 处理温度有关 : 当热处理温度低于 相的固溶温 度时, 再结晶以胞状组织的形式发生 , 胞状组织内 含有大量粗大的条状 相 , 而在固溶温度以上进 行热处理时 , 再结晶以完整晶粒的形式发生, 再结 晶晶粒内 相以细小 的立方状弥散分布在 基 体中。图 1 、 图 2 分别为 SRR99 单晶高温合金在 低于固溶温度下形成的胞状再结晶组织以及在固 溶温度下形成的完整再结晶晶粒形貌。 文献 [ 9- 10] 研究了不同温度下单晶高温合 金的再结晶动力学行为 : 当热处理温度高于 相 的 固溶温度时再结晶过程很快完成, 当热处理温
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晶晶界的迁移起阻碍作用。郑运荣等人 在研 究定向凝固 DZ22 合金的再结晶行为时 , 也发现 再结晶优先发生于 相完全固溶的枝晶干区域。 文献 [ 5] 研究了 SRR99 单晶高温合金在固溶温度