γ′粒子尺寸对定向凝固高温合金拉伸和持久性能的影响

Y/粒子尺寸对定向凝固高温合金拉伸

和持久性能的影响

吴昌新9孙传棋9李其娟

(北京航空材料研究院9北京100095

摘要研究了一种定向凝固高温合金析出V/粒子尺寸的控制规律O结果表明V/粒子尺寸随固溶处理后冷却速度提高而减小9抗拉强度和蠕变寿命随V/粒子尺寸增大而降低9而合金的拉伸塑性将随之提高O

关键词定向合金V/粒子尺寸强度与韧性冷却速度

中图分类号TG146.1+5文献标识码A文章编号1005-5053(2002 03-0001-04

定向柱晶和单晶高温合金叶片9由于消除了垂直于应力轴的横向晶界或全部晶界9其固有韧性和强度较高[1]可以通过高温固溶处理9充分均匀化减轻偏析9同时可在这基础上控制V/粒子的尺寸9调节合金的强度与韧性O我国自行研制的DZ4无铪定向凝固高温合金已经在多种型号发动机服役飞行十多年9合金在较多型号中强度与韧性匹配甚好9发挥了合金的较大效能9但在某一型号中发现9强度与韧性的匹配不是最佳状态9强度储备过多9而韧性的裕度比较紧张O本文就是为解决此问题而开展的应用研究O

1试验材料和方法

试验材料DZ4合金公称成分为(Wt%C

0.149Cr9.59CO6.09W5.39MO2.89A16.09Ti

1.89B0.0209Ni余[2]O在Ipsen真空热处理炉中进行1220 2

2.5h的固溶处理后在1220

1050 以不同速度冷却9再进行870 32h的时效处理9试样经加工后在拉伸试验机和蠕变持久试验机上测定中温~高温下的各不同冷却速度的拉伸和持久性能O同时在JSM5600VL扫描电镜上观察V/形态9并对每种冷却速度的V/粒子形态反复观察9再将不少于三个视场的枝晶干和枝晶间放大照相9对其测定V/立方体的边长和间距O

2结论和讨论

2.1冷却速度对析出V/粒子尺寸的影响及控制

DZ4合金固溶处理温度1220 保温2h后在

收稿日期2002-04-06 修订日期2002-06-08

作者简介吴昌新(1952- 9男9高级工程师O 12201050 的温度范围内分别以25 min9 42 min968 min和88 min速度冷却9不同冷却速度的V/相粒子形态见图19而V/相粒子尺寸依赖于冷却速度的关系见图2O从图192可以看出9随着冷却速度的降低9V/粒子尺寸明显变大9同时还可以看到9即使经过了1220 的固溶均匀化热处理9合金组织枝晶干和枝晶间的偏析还是存在的9在枝晶间的V/显得比枝晶干粗大和不均匀9V/粒子以不同尺寸的立方体弥散分布于V基体O

理想的固溶处理9必须使所有铸态V/相(共晶相和粗大V/相溶解9使合金成分完全均匀9再在从固溶处理温度冷却到V/全溶温度以下时9V/相将能相对均匀细小地在整个合金组织中析出9这是定向高温合金获得最佳力学性能的最好组织9因为含有共晶或粗大V/相的偏析组织是合金的薄弱区域9以及共晶和粗大V/实际上降低了有效V/体积分数9不能充分地对合金强度作出贡献O为了得到这一组织9合金必须加热到V/全溶温度以上9使铸态V/相溶解9加热温度又要限制在合金初熔温度以下9以防止合金熔化9熔化会导致凝固偏析9形成V/共晶和产生收缩疏松O而V/全溶温度和合金初熔温度都与合金成分有关9对于有低熔点共晶相比较多的合金9例如含~f合金9最好先在较低温度进行溶解共晶相的预备热处理9以便更容易使固溶温度保持在这两个临界温度之间9当V/相溶解于基体V后9它再以细小均匀形式析出O

V/相粒子尺寸影响力学性能9为了控制其大小9必须控制从固溶温度到某一温度之间的冷却速度9低于这一温度V/将不会在短时间内粗化9对DZ4合金来说9这个温度不低于1050 9所以

图1DZ4合金经固溶处理后不同冷却速度析出的7/粒子形态

Fig.1SEM micrographs of7/particle in the alloy DZ4at different cooling rates after solution treatment

DZ4合金控制7/相粒子尺寸采用在固溶处理后1Z Z0~1050C温度范围内冷却,

2.27/粒子尺寸对持久蠕变性能的作用

1975年J.J.Jackson和M.Gell等人[3]发现了定向凝固高温合金中均匀弥散的细小7/(<

0.5pm D相粒子使980C蠕变断裂寿命提高了3倍9同时还发现合金中产生的细小7/数量主要取决于固溶热处理温度特别在1180~1Z10C范围

内 较高的固溶温度可以较完全地固溶粗大7 和7+7 共晶相 随后冷却时又可重新析出细小7 当时 对7 的体积分数V f 值提高改善抗蠕变性能的定量机制没有确立 但已经清楚与均匀分布的细小7 相相关联的增加7和7 界面面积以及减小7 间质点间距是密切相关的 J .J .Jackson 等人的这一发现 对改善定向凝固柱晶和单晶合金的应用与发展是一重大的贡献 确立了所有定向凝固高温合金都采用高温固溶热处理的理论依据O 到八十年代 由林栋梁[4~5 等人从位错理论推导出了蠕变速率

与7 的V f 和7 粒子边长6的如下关系

O /

2

/6或

O 6

V

f 2/3

(1-3

V N

f )2(1)

即合金的中温蠕变性能取决于细小7 的V f 和7 的立方体边长6和间距O 而C .T .Sims 等学者[6 认为 在热激活很重要的815C 以上的温度 7 体

积分数较大的高温合金的蠕变断裂性能受7

粒子尺寸的影响O

图2DZ 4合金固溶处理后在122O~1O5OC 之间冷却速度对7 粒子尺寸的影响Fig .2

Effect of cooling rates v in the temperature range from 122OC to 1O5OC after solution treatment on the 7 particle size

a in the alloy DZ 4

我们研究DZ 4定向柱晶合金(OO1)方向时 7 相粒子尺寸6与高温95OC 蠕变断裂的关系见图3 在6~O.25

Mm 得到蠕变性能的最高值 同

图3DZ 4合金7 粒子尺寸对(a )中温76OC /8724Mpa (b )高温95OC /235Mpa 蠕变断裂性能的影响Fig .3

Relationship between 7 particle size a in the alloy DZ 4and creep rupture life at (a )76OC /724Mpa and (b )98OC /235Mpa

时随着7 粒子尺寸的增大在O.4~1.O Mm 范围内 无论高温或中温的蠕变性能均有一定的降低O 2.3

7 粒子尺寸对拉伸性能的影响

C .T .Sims 对含较高7 体积分数的

pWA 148O 单晶高温合金 得出了76OC 以下(OO1)方向的屈服强度6O.2与7 相尺寸成反比结果 并认为超过此温度 热激活能成为控制因素O 高温合金的拉伸性能主要受合金成分和7 粒子尺寸控制 对具有接近(OO1)取向的柱晶和单晶高

温合金是通过在{111}密排面上的八面体滑移来变形的 这种机制类似于等轴晶高温合金O 我们测定了DZ 4定向柱晶合金7 相粒子尺寸与合金拉伸性能的关系见图4O 可以看出 随着7 相粒子尺寸6的减小 抗拉强度6b (与6O.2比例关系)随之增高 同时还显示了7 粒子尺寸与9OOC 拉伸塑性 5 和 的关系 可以看出 随着7 粒子尺寸的增大 5 和

值几乎成直线增加 所以通过改变7 相粒子尺寸可以调节合金