【文章內(nèi)容簡介】 lloy，deformational behavior，creep deformation，recrystallization 1引言從80年代初第一代單晶高溫合金研制成功以來，單晶合金的發(fā)展甚為迅速，第二代、第三代單晶合金相繼出現(xiàn)和應用，為航空發(fā)動機和地面燃氣輪機的性能大幅度提高做出了重大貢獻。鎳基單晶高溫合金具有優(yōu)良的高溫性能，是目前制造先進航空發(fā)動機和燃氣輪機葉片的主要材料。為了滿足高性能航空發(fā)動機的設計需求，多年來，各國十分重視鎳基單晶高溫合金的研制和開發(fā)。鎳基高溫合金作為先進發(fā)動機葉片的主要用材，其再結(jié)晶問題日益受到重視。在生產(chǎn)和服役過程中，由于單晶凝固過程中模殼收縮、機械去除模殼、葉片的研磨校形等過程難以避免會在單晶葉片中引入一定的塑性變形。帶有塑性變形的葉片在高溫熱處理以及實際使用過程中會發(fā)生回復和再結(jié)晶。由于鎳基單晶高溫合金中不含或只含有少量的晶界強化元素，再結(jié)晶層成為合金性能薄弱的區(qū)域，這些區(qū)域?qū)θ~片的高溫性能造成不利的影響，甚至會導致整個葉片在極短的時間發(fā)生失效斷裂。因此需嚴格控制再結(jié)晶的發(fā)生。所以了解單晶高溫合金的變形行為和再結(jié)晶是很重要的。2正文單晶高溫合金具有優(yōu)良的高溫性能，是目前制造先進航空發(fā)動機和燃氣輪機葉片的主要材料。為了滿足高性能航空發(fā)動機的設計需求，多年來，各國十分重視鎳基單晶高溫合金的研制和開發(fā)。到目前為止，單晶合金已發(fā)展了5代。根據(jù)可靠的文獻提供，單晶高溫合金成分的發(fā)展有以下特點：1)C, B, H從“完全去除”轉(zhuǎn)為“限量使用”。這幾種元素歷來被看作是晶界強化元素，而且使合金初熔溫度降低。由于單晶合金沒有晶界，又要求具有寬的熱處理窗口，故在最初發(fā)展的商用單晶合金(如PW A 1480, CM SX10合金(含6 %的Cr)的相當，還優(yōu)于含9%的Cr的DSMARM 002合金。這是由于合金中Ta, Re的含量較高(Ta+ Re≈15%)。Cr的含量降低，就允許加入更多其他的合金化元素，從而保持組織穩(wěn)定，這無疑對合金性能的提高極為有利。4)稀土元素和Ru, Ir的應用。在第3代單晶合金中，有許多添加了Y, La, Ce等稀土元素。Y的加入(200*106)可以明顯改善單晶合金的抗氧化性能，而且對熱疲勞性能也有好處。俄羅斯的二36合金不含Ta只含2%的Re但其持久強度卻達到第2代單晶合金的水平，原因之一是加入了稀土元素。另外，值得注意的是，在發(fā)展第3代單晶合金中，試用了1種非常特殊的元素Ru；General Electric和ONERA公司最先對添加Ru的合金進行了合金化實驗。通過實驗可知，與Re相比，Ru最明顯的優(yōu)勢是具有較低的密度和較低的TCP相析出的傾向；添加Ru的單晶高溫合金表現(xiàn)出優(yōu)異的高溫蠕變性能。鎳基單晶高溫合金是高度復雜化的合金，通常含有6~10個合金化元素。在顯微組織正常的鎳基高溫合金中，主要是γ相和γ’相，還有幾種相是在合金的服役過程中析出的。下面簡單介紹下這幾個相。1)γ基體。γ基體是通常含有較大數(shù)量固溶元素(如Co, Cr, Mo和W)的連續(xù)分布的面心立方結(jié)構(gòu)的鎳基奧氏體相。盡管Ni不具有高的彈性模量和低的擴散率，但γ相基體非常適用于在最苛刻的溫度條件下工作的燃氣渦輪發(fā)動機。(熔點)溫度下使用，且在較低溫度下的使用時間可達100000h,其基本原因在于:Ni的第3電子層基本飽和，在合金化時容量大，相的穩(wěn)定性很高；當加入Cr后，形成富Cr203的具有低的陽離子空位的保護層，從而降低了金屬元素向外擴散的速率以及0,N,S和其他腐蝕氣體向內(nèi)的擴散速率。在高溫下形成富Al203保護層，具有良好的抗氧化性。2)γ’相。γ’相是1種以Ni3A1為基的金屬間化合物，與基體一樣都是面心立方結(jié)構(gòu)，且2相的點陣常數(shù)相差很小，γ’相總是在γ基體上共格析出，是鎳基高溫合金中最重要的強化相。3)碳化物相。在以前的鎳基單晶高溫合金中，一般不含有碳化物相。但隨著合金成分的不斷發(fā)展，少量C的添加使單晶高溫合金中出現(xiàn)了碳化物。碳化物的反應會影響合金基體的組織穩(wěn)定性。鎳基單晶高溫合金中可能出現(xiàn)的碳化物類型有MC,M6C和M23C6。根據(jù)形成條件，又可分成初生碳化物和次生碳化物，即合金凝固時形成的和固態(tài)析出的2種。但是，與多晶合金和定向凝固合金相比，鎳基單晶合金碳化物的含量是非常低的。4)TCP相。某些成分控制不當?shù)暮辖鹪跓崽幚砘蚍蹠r會產(chǎn)生TCP有害相，只有四面體空隙。TCP有害相的特征，是沿著fcc基體的八面體的面以“編籃”網(wǎng)絡的形式構(gòu)成原子密排面。這種相通常呈薄片狀，常常在晶界碳化物上形核。在鎳基合金中最常見的是σ相和μ相。σ相屬于四方點陣，單位晶胞中有30個原子，最大配位數(shù)為15。σ相的成分范圍比較寬；在鎳基合金里，σ相的成分可認為是(Cr, Mo)x（Ni, Co）y。這里x和y的變化范圍很大，一般為1~7。σ相非常硬，呈片狀，是裂紋的重要發(fā)源地，也會加速裂紋的擴展，導致低溫脆斷，就像σ化的鐵素體不銹鋼一樣。σ相的結(jié)構(gòu)與M23C6碳化物的結(jié)構(gòu)相似，如果除去M23C6碳化物中的碳原子，只需稍微調(diào)整金屬原子的位置就可變成σ相的結(jié)構(gòu)。μ相屬于菱方晶系點陣，結(jié)構(gòu)復雜，單位晶胞有13個原子，典型的分子式為B7A6。B元素指周期表中VⅢ族元素，A元素為V族、VI族元素。在鎳基高溫合金中，μ相主要由Ni、Co, W和Mo組成。μ相與M6C碳化物有相似的密排關系。μ相通常也呈片狀析出，但對它對性能的有害影響知道得還很少。TCP相的形成主要受電子因素控制，與合金的電子空位數(shù)有關。因此，可以通過計算合金中的電子空位數(shù)Nv值來預測TCP相的形成。鎳基單晶高溫合金因具有優(yōu)異的蠕變、疲勞、氧化及腐蝕抗力等綜合性能，而被廣泛應用于航空發(fā)動機和工業(yè)燃氣輪機的葉片材料。渦輪葉片作為渦輪噴氣發(fā)動機的心臟部位，在服役過程中，工作溫度最高，受力最復雜，最容易損壞，必須有效提高合金的綜合性能，大力發(fā)展新一代渦輪葉片材料為此，一方面需通過從多晶鑄造合金、定向結(jié)晶合金到單晶合金的轉(zhuǎn)變，逐步消除高溫下晶界的弱化作用；另一方面需通過合金化、微合金化以及組織設計大幅度提高合金的性能。如上所述，鎳基單晶高溫合金是一種兩相復合材料，由基體γ相和以立方結(jié)構(gòu)存在的γ’沉淀相組成，如圖1所示。γ’沉淀相均勻鑲嵌在軟的γ基體相中，是重要的強化相，其體積分數(shù)約為70%。鎳基單晶高溫合金良好的高溫力學性能直接來源于γ基體中共格析出的高體積分數(shù)的γ’相，其力學性質(zhì)主要由以下因素決定：1)γ’沉淀相的形狀、尺寸、體積分數(shù)以及分布狀態(tài)。2)γ/γ’相界面的微觀結(jié)構(gòu)、彈性模量差以及晶格錯配度。3)第3種溶質(zhì)元素和雜質(zhì)的影響，即沉淀強化和固溶強化機制。鎳基單晶高溫合金是在普通鑄造及定向凝固工藝的基礎上發(fā)展起來的，其特點是無晶界，γ/γ’相的界面微結(jié)構(gòu)以及在外載和高溫條件下相界面位錯結(jié)構(gòu)的演化決定了其力學性能。圖1 鎳基單晶高溫合金CMSX4微觀結(jié)構(gòu)此外，鎳基單晶高溫合金有一個引人注意的特征:在高溫施加應力的條件下，立方形γ’沉淀相會發(fā)生定向粗化形成筏狀。離心應力導致的蠕變損傷是單晶合金葉片的主要失效機制，’相是鎳基單晶高溫合金的主要強化相，γ’顆粒的定向粗化在葉片典型使用條件(120 MPa及1373 K)下僅僅lOh就已經(jīng)出現(xiàn)，其形態(tài)的改變必然會對高溫合金性能產(chǎn)生嚴重影響。鎳基單晶高溫合金的蠕變曲線由蠕變減速、穩(wěn)態(tài)蠕變及蠕變加速3個階段組成，圖2給出了(001)，最終導致失效。圖2 單晶高溫合金的典型蠕變曲線在施加載荷的瞬間，產(chǎn)生瞬間應變，形變產(chǎn)生的界面位錯在合金的γ基體通道中滑移，在蠕變第一階段，γ’相不發(fā)生滑移變形，僅僅發(fā)生彈性變形，只有γ基體相發(fā)生蠕變變形。隨著蠕變的進行，位錯數(shù)量增加，或運動位錯相遇發(fā)生反應而增殖，使位錯運動阻力增加，致使應變速率降低。同時，由于熱激活作用，促使位錯滑移，或異號刃位錯相遇而消失，使合金產(chǎn)生回復軟化。當形變硬化與回復軟化達到平衡時，蠕變進入第二階段，即穩(wěn)態(tài)階段。此時立方γ’相已完全轉(zhuǎn)變?yōu)榉罱Y(jié)構(gòu)，具有最低應變速率、穩(wěn)態(tài)蠕變期間的變形機制是位錯攀移越過筏狀γ’相。之后，隨著蠕變的進行，大量位錯運動至γ/γ’界面，產(chǎn)生應力集中。當應力集中超過一定值時，有位錯切入γ’’相數(shù)量的增加，