新型低铼镍基单晶合金的热处理组织优化与高温性能研究

摘要

涡轮叶片作为航空发动机的关键部件，工作温度最高、应力最复杂和环境最恶劣，这要求其材料具有优秀的微观组织和卓越的综合性能。镍基单晶高温合金因其独特的微观组织和优异的高温性能，在航空发动机和燃气轮机涡轮叶片上得到了广泛的应用。根据国家对航空发动机用镍基单晶合金材料的迫切需求，本课题以新研制的低铼镍基高温合金（DD9-X）为研究对象，研究热处理工艺对其组织的影响规律并进行了优化，探索了该单晶合金的组织稳定性和再结晶行为，研究了单晶合金的高温拉伸和高温蠕变性能，分析了单晶组织与高温力学性能之间的作用机制。主要获得的研究结果如下： 新型低铼镍基单晶合金热处理工艺优化研究表明：经过 1285℃/1h+1300℃/2h+1310℃/2h+1320℃/2h+1330℃/12h，AC的固溶处理可有效析出弥散细小分布的γ’相，尺寸约为0.30μm，基本消除共晶相和降低成分偏析。不同时效处理主要影响单晶合金 γ’相形貌尺寸，随着高温时效温度的升高（1000~1200℃）组织析出一次γ’相的尺寸相应增大（从0.35μm长大至0.57μm），在1120℃时γ’相形貌尺寸较好约为0.43μm。1160℃以上细小的二次γ’相在基体通道内析出，γ’相边角钝化及其形貌向球形转变。1160℃/1h+1120℃/4h 下处理 γ’相的尺寸相比 1120℃/4h有所长大，排列规则且立方度高，平均尺寸为0.50μm，基体通道未见二次γ’相析出。在1120℃下保温时间的增加（2~8h），γ’相的平均尺寸相应长大（从0.28μm增加至0.54μm），6h后的单晶组织中部分基体内都有二次γ’相析出。经过870℃/24h可有效调整γ’相的立方度、尺寸及总体积分数。 新型低铼镍基单晶合金的组织稳定性及再结晶行为研究表明：经 1120℃/4h 处理的单晶试样分别在1100℃和870℃下进行0~700h的暴露。由于1100℃时合金中的难熔元素扩散速率较快，γ’相的粗化速率更快，γ’相组织的粗化及随后发生的筏化相比 870℃下更早的进行，最终都会形成筏化组织。单晶铸态组织表面经过相同载荷下的预变形，经不同温度下热处理会形成不同类型的再结晶晶粒，在1100℃/4h和1200℃/4h下都形成胞状再结晶晶粒；1300℃/4h形成枝晶状再结晶晶粒；1330℃/4h形成等轴状再结晶晶粒；这主要与合金中γ’相的溶解温度有关。试样表面施加不同载荷（500~3000kg）的变形在 1330℃/4h 下处理，再结晶组织的深度和面积是随着单晶试样变形程度的增加而增加。 新型低铼镍基单晶合金的高温拉伸和高温蠕变性能研究表明：由于铸态单晶合金组织中存在的铸态缺陷直接导致高温力学性能差，抗拉强度为 667.3MPa，延伸率仅为 8.7%；合金组织经热处理优化，高温拉伸性能有明显提升。经过1160℃/1h+1120℃/4h和1120℃/4h处理的拉伸试样在高温拉伸过程具有的抗拉强度和延伸率分别为 729.5Mpa、15.7%和 703.7Mpa、13.6%。在1100℃/137Mpa条件下蠕变实验，经过1160℃/1h+1120℃/4h处理后，获得尺寸为0.50μm立方状γ’相组织，具有较高两相界面错配度而形成了更细密的界面位错网阻碍位错运动，增加持久寿命，相比1120℃/4h处理的蠕变试样，其持久寿命提高38.9h，延伸率提升1.5%。

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