2011新型高强度抗热腐蚀单晶高温合金研究

ratio. The high -temperature mechanical properties, hot corrosion -resistance and stability of microstructure of the alloy are further
improved by the single crystal technique and high -temperature heat treatment. The hot corrosion -resistance of M09A is equivalent to
results show that the decreasing in a little of Cr content compared to IN738 allows to further increase the strengthening elements content
and enhance the precipitation and solution strengthening action for M09A.The stability of microstructure can be improved in lower Ti/Al
properties of the alloy are stable. In addition, it does not contain precious metal elements, such as Re, Ru and Hf, so it is cheaper and
lighter. It has a good casting ability.
能见表 3。作为抗腐蚀镍基合金，其高温持久性能非 常突出。
表 3 M09A 合金的持久性能
持久试验条件 850 ℃/530 MPa
980 ℃/235 MPa
980 ℃/220 MPa
1040 ℃/137 MPa
持久寿命 /h 144 132 139 151 188 179 228 209 211 184 279 208 321 338 339 311 341 388 410
20 世纪 60 年代，美国发展了典型的抗热腐蚀高
郑启等：新型高强度抗热腐蚀单晶高温合金研究
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温合金 IN738，其抗热腐蚀性能几乎成为后来抗热腐 蚀合金发展的对照基点。显然，Cr 是提高合金抗热腐 蚀性能的重要元素[1]。但随合金中 Cr 含量的提高，常需 要降低相关强化元素加入量，以保证必要的合金组织 性能稳定性。因此，抗热腐蚀高温合金的应用受到其 高温力学性能的制约。后期发展的 IN792、PWA1483 等合金在提高高温力学性能上取得重要进展。
采用 Pຫໍສະໝຸດ BaiduACOMP 法计算 M09A 合金平均电子空
位数（Nv）为 2.363，小于形成 TCP 相的电子空位数
临界值 2.52[2]，也证明合金组织相对稳定。
4 提高抗热腐蚀性能的因素
在镍基高温合金中，Cr 是提高合金抗热腐蚀性 能的主要元素，但 Cr 增加 TCP 相的形成趋向，所以 限制了其它强化元素的加入，这也是抗热腐蚀高温 合金高温强度普遍偏低的原因，不能满足先进发动 机的发展要求。
时效时间 /h 0
1000
持久寿命 τ/h 279
258
持久延伸率 δ/% 17.28
17.04
持久面收缩 率 ψ/% 40.28
44.16
图 1 M09A 合金与 K438 合金的热腐蚀动力学曲线
3.5 主要物理性能 采用 DSC 方法测定 M09A 合金的熔化温度区间
为 1302～1348 ℃，采用金相法测得的初熔温度为 1265 ℃，用阿基米德法测得的合金密度为 8.37 g/cm3。 3.6 组织结构
2 试验过程和方法
试验用 M09A 合金的名义成分见表 1。
表 1 M09A 合金的名义成分
w/%
Cr Co Mo W Ta Al Ti Ni
11.0 8.0 1.8 3.5 5.0 4.0 2.5 ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ 余量 15.0 9.0 2.2 4.4 6.0 5.4 3.5
合金在真空感应炉中熔炼并浇注成母合金锭，在 ZGD- 2 真空单晶炉上应用选晶法制备直径为 16 mm 的单晶合金样品。单晶合金样品轴向取向为 <001> 方向，偏离度均小于 5°。
20 世纪 70 年代，中国科学院金属研究所开始对 抗热腐蚀高温合金进行系统研究，发展了与 IN738 相 当的 K438 合金，同时自主研发了 DZ38G 定向凝固合 金和 DD8 单晶合金等，使合金高温力学性能不断提 高。为了满足中国涡轮发动机技术高速发展的要求， 又开发了高强度抗热腐蚀 M09A 单晶高温合金，试图 在保持抗热腐蚀性能与 IN738 合金的性能相当的前 提下，将合金高温力学性能提高到第 1 代单晶合金的 水平。
将铸态单晶合金样品在 1204 ℃/1h+1265 ℃/1h/ 风（扇）冷 +1080 ℃/4h/ 空冷条件下进行热处理。将热 处理样品加工成相应试样，包括拉伸、持久、疲劳、腐 蚀以及金相等试样，并测定合金的相关性能。其中腐 蚀试验采用涂盐法，试验温度为 900 ℃，涂盐成分为 75 %(w(Na2SO4)+25 %(w(NaCl))。合金的组织观察主要 在扫描电镜下进行。
3 试验结果
3.1 拉伸性能 M09A 合金在室温、850 ℃和 1000 ℃条件下的拉
伸性能测试结果见表 2。该合金表现出较高的拉伸性 能，特别是在 1000℃仍然保持较高强度水平，在中温
下其塑性优异。
表 2 M09A 合金拉伸性能
温度 /℃ 室温 850 1000
抗拉强度 /MPa 1080 1076 1102 1109 1111 1091 678 703 710
Abstract: The microstructure, mechanical properties, hot - corrosion -resistance and
stability of structure of a high strength and hot -corrosion-resistant single crystal superalloy M09A developed newly were studied. The
K438 合金（与 IN738 合金相当）同时进行热腐蚀对比试 验，结果如图 1 所示。M09A 合金的腐蚀速率比 K438 (IN738)合金的更低，表现出良好的抗热腐蚀性能。
1000 h 后的持久寿命对比见表 4。从表中可见持久寿 命变化非常小。
表 4 900 ℃长期时效前和时效 1000 h 后 M09A 合金的 持久性能（980 ℃/220 MP a）的变化
（a）低倍组织 （b）枝晶干 γ′相 （c）枝晶间 γ′相 图 2 M09A 铸态组织形貌
（a）热处理后低倍组织 （b）热处理后 γ′相 图 3 M09A 合金热处理组织
3.7 长期时效组织性能稳定性 M09A 合金在 900 ℃长期时效，检验 1000 h 后合
金持久性能和组织结构变化，与合金时效之前和时效
M09A 合金长期时效前和时效 1000 h 后的组织形 貌对比如图 4 所示。从图中可见，在 900 ℃时效 1000h 后，组织变化并不明显，γ′略有粗化，但未见 TCP 相 出现图 4。
（a）长期时效前
（b）长期时效 1000h 后
图 4 M09A 合金长期时效前和时效 1000 h 后的
组织形貌对比
关键词：单晶高温合金; M09A 合金；力学性能;抗热腐蚀性能
郑启（1959），男，自然科学研究员， 从事高温结构材料及工艺研究。
Study of a High Strength and Hot-corrosion-resistant Single Crystal Superalloy
收稿日期：2010- 09- 28
2011 年 第 37 卷 第 1 期 Vol.37 No.1 Feb. 2011
新型高强度抗热腐蚀单晶高温 合金研究
郑 启 1，杨金侠 1，胡壮麒 1，腾百秋 2 (1. 中国科学院金属研究所，沈阳 110016; 2 .中航工业沈阳发动机设计研究所，沈阳 110015)
摘要：对新研发的 Ｍ０９Ａ 高强度抗热腐蚀单晶高温合金的组织结构、力学性能、抗热 腐蚀性能及长期时效组织性能稳定性进行了研究。结果表明：Ｍ０９Ａ 合金相对 ＩＮ７３８ 合金 适当降低 Ｃｒ 含量，为增加强化元素含量提供了可能，从而提高了 Ｍ０９Ａ 合金沉淀强化和 固溶强化水平； 取较低的 Ｔｉ／Ａｌ 比可以改善组织稳定性；应用单晶技术和高温热处理，可 进一步提高 Ｍ０９Ａ 合金的高温力学性能、抗热腐蚀性能和组织性能稳定性；Ｍ０９Ａ 合金抗热 腐蚀性能与 ＩＮ７３８ 合金的相当，高温力学性能超过现有的抗热腐蚀合金和典型的高强度 定向凝固合金 ＤＺ１ ２５ 的，并达到第 １ 代单晶合金的水平；合金组织性能稳定，不含 Ｒｅ、 Ｒｕ、Ｈｆ 等贵重金属元素，成本低，密度小，铸造性能较好。
Key words: single crystal superalloy;M09A alloy; mechanical properties; hot-corrosion-resistance
1 引言
海洋环境下应用的航空发动机、舰船发动机以及
地面工业燃气轮机的涡轮高温部件要具有良好的高 温力学性能和特殊的抗热腐蚀性能。
屈服强度 /MPa 1080 1067 1092 930 931 912 540 600 585
延伸率 /% 5 5 6 24 21 25 27 33 25
断面收缩率 /% 17.5 21 19 44.5 51 55 55 53 55
3.2 高温持久性能 M09A 合金在不同温度和应力条件下的持久性
下的高周旋弯疲劳（R=- 1，2 个样品）寿命测试结果为 4×106 和 9×106 周。 3.4 抗热腐蚀性能
热腐蚀试验采用恒温涂盐失重法，试验温度为 900 ℃，涂盐成分为 75 %(w(Na2SO4)+25 %(w(NaCl))，并取
2011 年 第 37 卷 第 1 期 Vol.37 No.1 Feb. 2011
ZHENG Qi1, YANG Jin-xia1, HU Zhuang-qi1,TENG Bai-qiu2 (1.Institute of Metal Research,Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China;
2.AVIC Shenyang Aeroengine Research Institute, Shenyang 110015, China)
IN738, the high-temperature mechanical properties of M09A are higher than those of commercial hot corrosion-resistant alloys and high
strength directionally solidification alloy DZ125, and reach the level of the first generation single crystal superalloys.The structure
持久延伸率 /% 31 24 33 33 38 37 24 27 28 40 17 11 19 18 21 28 23 17 19
持久断面收缩率 /% 26 27 39 47 49 47 44 47 33 53 40 16 47 67 59 49 49 39 45
3.3 机械疲劳性能 M09A 合金在 900 ℃、应力为 400 MPa 典型条件
M09A 合金铸态组织如图 2 所示，热处理组织如 图 3 所示。铸态组织由 γ 基体、γ′相和 γ′/γ 共 晶等基本组成相组成，存在较多的共晶组织（如图 2 （a）所示），枝晶间区域 γ′相比较粗大且形状不规 则（如图 2（c）所示）。热处理后，共晶组织消失（如图 3 （a）所示），γ′相得到细化，尺寸形貌趋于一致，已 难以区分枝晶干和枝晶间组织（如图 3（b）所示）。