TiAl比对镍基单晶高温合金组织和持久性能的影响

第霹颓
期瓣荣等：Ｔｉ／ＡＩ滋对镰基零器裹澄合金缝织器持久髋能麓影穗
提高ｙ’相的反相畴界能，进而提高ｙ’相强度。
袭４
３种会金在１０１０℃，２４８ＭＰａ条徉下的持久性能
Ｔａｂｌｅ ４
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Ｓｔｒｅｓｓ ｒｕｐｔｕｒｅ ｄａｔａ ｏｆ ｔｈｒｅｅ ａｌｌｏｙｓ ａｔ １０１０℃．２４８ ＭＰａ
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另外，凼前面所测的合金元索在两相中的分配比 霹知，在高Ｔｉ／ＡＩ眈合金（合金１）孛，基体孛富存较 多的Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｃｏ等固溶强化元素，对基体的强 化效果要高予低Ｔｉ／ＡＩ比合金，而且高Ｔｉ／ＡＩ比的，，’ 穗巾富集较多的强煮餐等芦’榛鼹强纯元素，对ｙ’裰 强化也有明显的贡献。其它元素对反相畴界能的影响 没有直接的数据来说明，但可以避过对单晶高温合金 懿爱相畴界筑的影响来比较，ＳＲＲ９９中隽１８０ ｍＪ·ｍ２， ＣＭＳＸ一２中为１８０ ｍＪ·ｍ～，ＰＷＡｌ４８０中为１１８ ｍＪ－ｍ－２， 而３种合金中都含有№和Ｔｉ，所以认为其它元素降 低Ｎｉ｛Ａｌ静反相畴界镜。因此虽然低Ｔｉ／ＡＩ眈合金中 其他合金元索进入，，’相的量增加，可能会起到固溶强 化，，’相的效聚，但对提高反相畴界熊不利。所以只从 元素螽度考虑，在瑷有会金系中，低氍缓ｌ眈不利予 合金性能的提高。
对３种合金的熬处理态组织迸褥了透射电镜观
察，并照利用能谱对枝晶干上规则ｙ’相和瑚的成分进
行测量，每种合佥测量３点，然后取其平均值，并对
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稀有金属材料与工程
第３８卷
也就是说，随着Ｔｉ／ＡＩ比增加，合金元素在两相中的 分配比都更偏离于ｌ。
然后利用Ｗａｔａｎａｂｅ等人根据大量实验数据得到 的高温合金的ｙ’和ｙ点阵常数（ｎｍ）与相成分（ａｔ％） 的多元回归方程：
关于单晶高温合金Ｔｉ／Ａｌ比的研究，前人已有一 定的基础。在赢温合金ＣＭＳＸ．１ １Ｂ（３】中，提高Ｔｉ／Ａ１ 泷是为了获得较野的抗腐蚀特性。势提高可铸侄必须 降低Ｔｉ／Ａｌ比【４１。当ＤＤ３念金的ＡＩ＋Ｔｉ超过８．３％（质 量分数，下同）后，其点降错配大予Ｏ．００１ ｎｍ（错配 度大予０．２８％），１０４０℃的高温性髓下降。Ａｌ＋蘩总 量在８％～１０％时强度最高，并考虑到Ｔｉ／ＡＩ比对ｙ ７粒 子稳定性和抗氧化性的影响，该比值应控铡在≤ ０。４１ｓ１。研究表明，控制Ｔｉ／ＡＩ比主要是为了提高合金 的抗腐蚀性能，而Ｔｉ／Ａ１比对单晶高温合金的持久性 能的影响则少有报道。因此，本研究以一种单鼹高湿
２结果及分析
２．１ Ｔｉ／Ａ！比对合金铸态组织的影响 在Ａｌ＋曩漾子总量拥圊、Ｔｉ／ＡＩ院不陵鲶情况下，
３种合金的铸态组织都为枝晶结构，如图ｌ所示。但３ 种台金的铸态组织存在明显的差别：随着Ｔｉ／ＡＩ比的 增加，一次较螽阕疆有掰增燕，三次枝晶逐渐密现。
同时，随着Ｔｉ／ＡＩ比的增加，枝晶间区域的ｙ ７．炔晶百
ｋｆｉｕ８６６＠ｓｏｈｕ．ｔｏｍ
万方数据
第４期
剐瑟綮等：Ｔｉ／ＡＩ院对镲摹擎鹣高温合金缀织和持久毪熊的影响
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温拉伸持久试验机上进行，试验条件为１０１０℃，２４８ ＭＰａ。
将热处理态试样制餐成透射电镜样品，然后在带
有能谱的透射电镜上进行，’和用相的成分测量，以
计算合金元素在嚣相中麓分配眈鞠两摆错醚度。拉俸 断裂后的试样的纵剖面微观组织在￥３４００Ｎ扫描电镜 下进行观察和分析。
Ｍｏ、Ｃｒ和Ｃｏ主要富存于堪体中（合金元素在两相
中的分配比小于１）。Ｔｉ／ＡＩ比的改变对合金元素在两 相的分配有一定的影响。随着Ｔｉ／ＡＩ比的增加，Ａｌ、 Ｔｉ、Ｔａ和Ｎｉ在两相中的分配比逐渐增加，Ｃｒ、Ｃｏ、 Ｍｏ、Ｗ等基体形成元素在两相中的分配比逐渐降低。
表２合金元素在，，’和厢相中的分配比 ：！兰垒！！！塑！翌垒２竺！！垡２竺！兰！！竺Ｚ！！！竺！竺塑！竺２＝：竺竺璺２＝￡垒竺！！！
（ｂ）ａｌｌｏｙ２，ａｎｄ（ｃ）ａｌｌｏｙ ３
万方数据
２．２ Ｔｉ，Ａｌ比对台金热处理后组织形虢的影响 ＤＴＡ睦线的糖关数据表嚷，３静会金鲍兹熔湿度
基本相阍。为了方便对比，３种合金采用了褶阊的热 处理制度：１３０５℃，８ ｈ＋１０８０℃，４ ｈ十８７０℃，２４ ｈ。 在匿溶处理的过程孛，会金披加热到，，’穗溶解度睫线 以上保温时，枝晶干和枝晶间的ｙ’依次溶解，形成过 饱和固溶体，然后在冷却的过程中，璧新析出ｙ’相。 ｙ’提在时效过程中继续长大。蓬３戈３种合金在阑溶 并进行时效处理艏的，，’相形貌。可以看出，在（ＡＩ＋Ｔｉ） 原子总墩基本相同，Ｔｉ／ＡＩ比不同的条件下，３种合金 鳇’，’褪都呈立方体形貌，健在尺寸上骞一定差别： Ｔｉ／ＡＩ比为０．４的含金１中ｙ’相尺寸相对较小，大约在 ３００。４００ ｎｍ；Ｔｉ／ＡＩ比为０．１８的合金２ ｃｐｙ’相尺寸相对 较大，大约在５００ｎｍ；不含骶酶合金３酶ｙ’摆与含金 ２的ｙ，相尺寸相当，但ｙ’相规则程度略低于合金２，同 时发现会金３中甄晶界相对较多。
合金为基体材料，通过改变Ａｌ和Ｔｉ元素含量来考察 Ｔｉ／ＡＩ比对合金的缎织与力学靛能鲍影响。
１ 实验
实验选震的３种萃晶蹇滏合金魏化学袋分及相 应Ｔｉ／ＡＩ比列于表ｌ。在ＶＩＭ．２５／５０Ｆ型真空感应炉中 熔炼母合金并浇铸成ｏｈ８ ｍｉｎｘ８０ ｍｍ的试样。单品高 温会金试样是在工娩震大型双送加热ＺＧＤ。２真空舞 梯度单晶炉上制备的。
分含量略有增加。在３种单晶高温合金中，Ａｌ、Ｔｉ原 子数之襄基本耜同，因诧，扶巨１中３释合金的共晶 含燕可以推测，Ｔｉ元素对共晶的贡献要略大予Ａｌ，这 可能和蜀元素促进偏板有关。因此从铸态缀织形态 看，低的Ｔｉ／Ａ１比似乎舞好些。
图２是３种台金的ＤＴＡ曲线。由图２可知，３条 趣线上都主要有２个吸热蜂，蓁ｌ令吸热峰失共照鳃 熔化峰，第２个峰为整个含金的熔化蜂。在定向凝固 过程中，共晶是凝固过程最后形成的。所以，当含金 中不含有其它杂鹱摆时，合金初熔溢度攒鳃就楚共鑫 的熔化温度。因此，合金的初熔温度的差别主要表现 在共晶熔化温度的差别。由图２可以看出，３种合金 鳇初熔湿度差别不大。蜂酶位菱决定懿是穰变溢度， 而峰的高度或峰所覆盖的面积决定了该相变的量，由 图２的峰形可以看出，Ｔｉ／ＡＩ比为０．４的合金ｌ的共 晶含量最大，曩／Ａ｜艮先０。１８豹合金２箕次，不含蘩 的合金３的共晶最少，这与从铸态组织中获得的结果 基本吻合。
利餍差蒸分轿仪瓣量了３种铸态会金的初熔滏 度和其他相变温度。根据初熔温度制定相应的热处理 制度，然后利用￥３４００Ｎ扫攒电镜和Ｌｅｉｃａ光学金相 显徽镜对合金的铸态帮燕处瑾态维织进行观察移分 析。热处理后的试样依据航空标准加工成标距为２５ ｆｉｌｍ的挝伸持久试样。拉｛率持久试验在ＧＷＴ３０４型高
收到初稿日期：２００８·０３·２７：收到修改稿日期：２００９－０１—２２ 基金项目：辽宁省教育厅高等学校科学技术研究项目（２００６０６３９） 佟者麓奔：麓藤浆。女，１９７６馨釜，褥士，捌教授，淀藤王娃大学誊｜ｊ｜薅辩学与工程学院，ｊｚ宁沈鞠１１００２３，耄话：０２４－２５６９１５３０，Ｅ－ｍａｉｌ：
巾藿法分类弩；ＴＧ １３２．３＋２；ＴＧ １１３。ｌ
文献檬识码：Ａ
文拳编号：１００２一１８５Ｘ（２００９）０４—０６１２—０５
具有面心囊方Ｌ１２结构的，，’相是镍基单晶高温 合金枣的主要强纯相，Ａｌ秘甍都怒重要的，，’鞠形成 元素【ｌ’２】。到目前为止，单晶高温含金已经发簇到了 第４代甚至第５代。纵观几代合金中Ａｌ和Ｔｉ的含量 特点如下：第ｌ代中都含有较高的甏含量，Ａｌ含量 较低；第２代含Ｒｅ合金禽有较少的Ｔｉ，第３代含有 少量或不含Ｔｉ，即Ｔｉ含量逐渐降低，Ｔｉ／ＡＩ比逐渐降 低。餐是有关Ｔｉ／Ａｌ艮逐渐降低的原阂，到嚣翦为止 也没有清楚的解释。而Ｔｉ／Ａｌ比的降低是不是所有高 温合金的发展方向，这已成为单晶高温合金发展的重 要同惩。
有关，Ｈａｇｅｌ和Ｂｅａｔｔｉｅ观察到，当错配度为Ｏ％～０．２％ 时，，，’相为球状；错配度上升到０．５％～１．Ｏ％时，ｙ’相 变为立方状；错配达到１．２５％以上后，，，’相变为板条 状。但在本研究的３种合金中，两相错配度的变化并 不大，而且从形貌上看也都是立方体形貌。随着Ａｌ 含量的升高，Ｔｉ含量的降低，错配度略有增加。 ２．３ Ｔｉ／ＡＩ比对合金持久性能的影响
Ａｌ
５．３６
Ｔｉ
１５．３３
Ｃｒ
Ｏ．１３
ＣＯ
０．３８
Ｎｉ
１．２８
Ｔａ
２．６８
Ｗ
Ｏ．５０
ＭＯ
０．３２
万方数据
３ ２ Ｏ
Ｏ●２ Ｏ
Ｏ 铬盯Ｈ”＂昭：２加
Ｏ．２５ ０．４８ １．１ｌ １．７７ ０．８５ ０．６２
，，’．厢相错配度与合金成分以及，，’相形貌是相对
应的。正如文献［５】所指｝ｎ的：，，’相形状也与晶格错配
第３８卷 ２００９艇
第４期 ４月
稀有金属材料与工程
ＲＡＲＥ ＭＥＴＡＬ ＭＡＴＥ蒯ＡＬＳ ＡＮＤ ＥＮＧＩＮＥＥ剐ｆＮＧ
、，０１．３８．Ｎｏ．４ Ａｐｒｉｌ ２００９
Ｔｉ／ＡＩ比对镍基单晶高温合金组织和持久性能的影响
刘丽荣１一，金 涛２，陈海军３孙晓峰２，管恒荣２
（１．淀戮工盈大学，辽宁沈阳１１００２３） （２．中科院众属研究所，辽宁沈阳１１００１６） （３。辽河石油勘探局总机械厂，辽宁盘锦１２４２０９）
图３不同Ｔｉ／Ａ１合金在热处理后的，，’相形貌 Ｆｉｇ．３，’ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｉｅｓ ａｆｔｅｒ ｈｅａｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｆｏｒ ｔｈｒｅｅ ａｌｌｏｙｓ：
（ａ）ａｌｌｏｙ ｌ，（ｂ）ａｌｌｏｙ ２，ａｎｄ（ｃ）ａｌｌｏｙ ３
元素在两相中的分配比进行计算，计算结果列于表２。 由表２可以看出，３种合金中Ａｌ、Ｔｉ、Ｔａ和Ｎｉ主要 富存于，，’相中（元素在两相中的分配比大于１），Ｗ、
一４ ８
’ 一ｏ ２
詈６ Ｏ ４
鼍８
Ｚ２ ６
０屯屯ｔ弓弓ｑＯ
Ｔｃ＇ｍｐｅｒａｍ癌＇Ｃ
图２ ３种合金的ＤＴＡ曲线
Ｆｉｇ．２ ＤＴＡ ｃｕｒｖｅｓ ｆｏｒ ｔｈｒｅｅ ａｌｌｏｙｓ
鬻ｌ ３静含袅懿铸态技菇组织 ｖｉｓ．１ Ａｓ—ｃａｓｔ ｄｅｎｄｒｉｔｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆｔｈｒｅｅ ａｌｌｏｙｓ：（ａ）ａｌｌｏｙ １，
的ｙ＇－戊晶含量略有增加；热处理态ｙ’相尺寸略有降低，，’相形貌逐渐规则，错配度略有降低。Ｔｉ／ＡＩ比的变化对合金的 糕变湿度影镌不大。Ｔｉ／ＡＩ毙豹变化对会金元素谯斌相中的分配有疆显豹影嫡，高Ｔｉ／ＡＩ魄使会佥笼素在ｙ’和绅的分配
院更偏离子ｌ。随着Ｔｉ，Ａｌ眈的增加，合金的持久寿命逐渐增加。 关键词：单黯高温合金；微观组织；持久性能ｌ俐Ａｌ比；
表４为３种合金在１０１０℃，２４８ ＭＰａ的持久试验 条件下的性能数据。可以看出，Ｔｉ／Ａｌ比的变化明显影 响合金的持久性能。随着Ｔｉ／ＡＩ比的降低，合金的持 久寿命逐渐下降。分析其原因，首先，，’相抵抗基体位 错切入的抗力依赖于自身强度的大小，Ｆ．Ｄｉｏｌｏｇｅｎｔ和 Ｐ．Ｃａｒｏｎ［６ｌ在７７ Ｋ下在Ｎｉ３Ａｌ基合金中用几种元素替代 Ａｌ获得元素对Ｎｉ３Ａｌ固溶强化效果的数据。影响最大 的是Ｔａ，其次是Ｗ、Ｍｏ，然后是Ｔｉ。因此Ｔｉ和Ａｌ 相比，有利于提高合金中ｙ’相的自身强度。另外，，’相 抵抗基体位错切入的抗力依赖于反相畴界能的大小， 反相畴界能大小取决于该相的化学成分。在位错分解 模型【６Ｊ中，ａ／３＜１ １２＞不全位错是通过ａ／２＜１ １０＞位错分 解产生的，剪切机制的第一步是反相畴通过ａ／２＜１１０＞ 位错进入沉淀相形成，然后ａ／３＜ｌ １２＞超不全位错形核 去除了反相畴界，建立了超晶格堆垛层错。因此，，，’ 相剪切过程依赖于，’相反相畴界能。Ｔｉ和Ｔａ对反相 畴界能都有影响。当用１ ａｔ％Ｔａ代替ｌ ａｔ％Ａｌ时，Ｎｉ３Ａｌ 的反相畴界能从１８０ ｍＪ·ｍ也升高到２４０ ｍＪ．ｍ～，当用６ ａｔ％Ｔｉ代替６ ａｔ％ＡＩ时，Ｎｉ３Ａｌ的反相畴界能从１８０ ｍＪ·ｍ．２升高到２５０ ｍＪ·ｍ～。也就是说，Ｔｉ的增加也能
ｃｌｖ＝０．３５２４＋０．０１ ３Ｃｃｒ＋０．００２４Ｃｃｏ＋ ０．０４２１（ＣＭｏ＋Ｃｋ）＋Ｏ．０１８３Ｃ＾ｌ＋０．０３６ＣＴｉ
∞＝０．３５６７＋０．０１５６ＣＴｉ＋０．０３７２（Ｃ＇Ｎｂ＋Ｃ’ＴＪ＋ ０．０２４８（ＣＭ。＋Ｃ’ｗ）
－－－－（ａｒ，－－ａｒ）／２ａｖ 计算出错配度（％）如表３所示：
胡壮麒２
摘要：研究了Ａｌ＋Ｔｉ原乎总量相同、Ｔｉ／ＡＩ比不同的３种单晶高温合金的微观组织和持久性能，讨论了无Ｒｅ单晶高温 套金中Ａｌ翱Ｔｉ元素豹成分设计原则。测用金攫爨徽镜和扫撼电镜对铸态釉热处理态缎织进行观察和分析；利用透射电
镜的ＥＤＳ对台金元素在辩相中酶分鬻院和错琵璇进行涮试和分析。结采浚孵：随着Ｔｉ／Ａ！昆的磺鸯霹，合金铸态棱晶闻