一种镍基单晶高温合金凝固组织的截面尺寸效应

1、一种镍基单晶高温合金凝固组织的截面尺寸效应Eff ect s of Sectio n Size s o n Mic ro st r uct u re of a Nic kel2ba seSi ngle Cr y st al Sup e rallo y李剑锋1 ,周铁涛1 ,燕平2 ,赵京晨2 ,刘培英1 ,韩凤奎2(1 北京航空航天大学 材料科学与工程学院 ,北京 100191 ;2 钢铁研究总院 高温材料研究所 ,北京 100081) L I J ia n2f e ng1 , Z HO U Tie2t ao1 , YA N Pi ng2 ,Z HA O J i ng2che n2 , L I

2、U Pei2yi ng1 , H A N Fe ng2k ui2(1 Sc hool of Mat erial Scie nce a nd Engi nee ri ng , Beiji ng U nive r sit y of Ae ro na utic s a nd A st ro na utic s , Beiji ng 100191 ,Chi na ;2 Dep a rt me nt ofSup e rallo ys , Ce nt ral Iro n a nd St eel Re sea rc h In stit ut e , Beiji ng 100081 ,Chi na)摘要 :

3、采用快速凝固法拉制壁厚分别为 01 8 ,11 5 ,21 5mm 的单晶薄壁试样 ,研究了一种镍基单晶高温合金凝固组织的截面尺寸效应 。结果表明 :随截面尺寸减小 ,不同厚度薄壁试样凝固组织一次枝晶间距减小 ,二次枝晶间距先增大后减小 ; 相对于 15mm 试样 ,薄壁试样枝晶干处相尺寸变小 ,枝晶间相尺寸变化不大 , /共晶含量明显减少 。能谱分析表 明不同厚度薄板试样元素偏析程度相对于 15 mm 试样均得到一定缓解 ,但各不同厚度试样元素偏析变化不大 。对三种厚度薄板试样进行真空固溶热处理后发现共晶已基本消除 ,而 15 mm 试样还残留少量共晶 。关键词 : 截面尺寸 ;镍基单晶高温

4、合金 ;凝固组织 ;元素偏析中图分类号 : T G1321 3 + 2文献标识码 : A文章编号 : 100124381 (2009) 0620020206Abstract : Eff ect s of sectio n size s o n micro st r uct ure of a nickel2ba se si ngle cr y st al sup e rallo y ha ve bee nst udied by ma ki ng direct l y t hi n2wall sp eci me n s w ho se wall t hick ne sse s a re 01 8

5、,11 5 mm a nd 21 5 mm by u si ng t he B ridgme n p rocedure . The re sult s sho w t hat , wit h t he decrea se of sectio n size , t he p ri ma r y de ndritic a r m sp aci ng of t hi n2wall sp eci me n decrea se s , a nd t he seco nda r y de ndritic a r m sp aci ng i ncrea2se s fi r st l y a nd t he

6、n decrea se s ; co mp a ri ng wit h t he st a nda r d sp eci me n ( 15 mm) , t he size of p ha sep a r ticle s i n t he de ndritic co re decrea se s but t hat of i nt e r de ndritic cha nge s sli ght l y , t he vol ume f ractio n of /e ut ectic al so decrea se s o bvio u sl y. ED S a nal y si s sho

7、w s t hat micro se gre gatio n of t hi n2wall sp eci2 me n s ha s bee n supp re ssed co mp a ri ng wit h t he st a nda r d sp eci me n , but t he micro segregatio n of sp eci2 me n s wit h diff e re nt t hic k ne ss i snt o bvio u s. F ur t her mo re , /e ut ectic of t hi n2wall sp eci me n s wa sr

8、uled o ut ba sically af t er vacuu m soli d2sol utio n t reat me nt , but fo r 15 mm sp eci me n t here re mai n s a small a mo u nt /e ut ectic .Key words :sectio n size ; nic kel2ba se si ngle cr yst al sup erallo y ; micro st r uct ure ; micro segregatio n随着航空发动机涡轮进口温度的提高 ,除了对涡轮材料本身承温能力提出挑战外 ,采用先

9、进气冷技术 已成为发动机涡轮叶片设计中的一个重要趋势和关键技术 。气冷技术的进步势必导致叶片的内腔越来越复杂 ,对壁厚的要求也更苛刻 ,并由此产生薄壁效应 : 即 当壁厚减小到一定程度 ,零件的中 、高温持久性能将会下降 1 。镍基单晶高温合金由于完全消除晶界 ,壁厚的减 小对其凝固组织及力学性能的影响必然表现出与其他 合金不同的规律 。王华明 2 对施加侧向约束单晶高温合金的凝固行为进行研究并发现凝固过程存在胞枝转变和无共晶区 。陈荣章等人 1 研究了一种管状定向凝 固高温合金的壁厚效应 ,指出凝固组织的细化补偿了 壁厚减小带来的性能下降 。Bal da n 3 - 7 对 Ma r2M00

10、2 合金分别进行普通铸造及单晶工艺的研究阐述了壁厚与微观组织 (晶粒尺寸 、碳化物 、空穴和二次枝晶间距)的关系 。Do ne r 和 Hec kle r 8 研 究了 未 涂层 CM SX23 单晶合金 ,发现当应力低于 275M Pa 时薄壁性能下降 明显 。Seet ha ra ma n 和 Cet el 9 对 经 机 加 工 后 不 同 厚 度第二代单晶合金 P WA1484 薄板试样的蠕变性能研21一种镍基单晶高温合金凝固组织的截面尺寸效应究 表 明 低 温 高 应 力 下 ( 760 / 758M Pa ) , 厚 度 为01 38 mm 试样的蠕变断裂寿命仅为厚为 31 18

11、mm 试样 的 40 %左右 。以上研究大多采用对浇注厚板机加工或直接浇注 管状薄壁试样进行试验 ,而对采用直接拉制各种不同厚度薄板试样对单晶凝固组织的研究较少 。因此 ,本 研究对一种镍基单晶高温合金薄壁凝固组织开展了这 方面的工作 。为 15 mm 的毛坯试棒以 加工 5 mm 标准 试棒 。铸型抽拉速率为 3 mm/ mi n 。劳埃背散射法测定 001 结晶 取向与试样主应力轴方向的偏离角小于 10。在 L EI2CA M EF4A 定量显微图像仪上观察铸态凝固组织 ,并 测量一次 、二 次 枝 晶 臂 间 距 。在 J SM26480L V 高 、低真空扫描电子显微镜上观察及 +共晶

12、形态 、数 量及尺寸变化 ,采用比面积法测定不同厚度试样凝固 组织+共晶含量 。用 N SS300 扫描电镜能谱仪对 枝晶干 、间的化学成分偏析进行测定 。1实验材料和方法结果与讨论2本实 验 采 用 的 镍 基 单 晶 高 温 合 金 成 分 ( 质 量 分数/ %) 为 : Cr 5 10 , Co 5 7 , Mo 01 5 21 5 , W 0 31 5 ,Al 68 , Ti 13 , Ta 24 ,Ni 余量 。在真空感应 炉内熔炼母合金锭 ,后在高温度梯度定向凝固炉中通过螺旋选晶法制备 001 取向单晶试棒 。采用与无余量 空 心 叶 片 相 同 的 精 铸 工 艺 铸 成 厚

13、为 01 8 , 11 5 ,21 5 mm 的薄板试样 。为保证实验可靠性 ,三种厚度试 样均取自同一垂直高度 。同时为进行比较 ,制备直径21 1 枝晶臂间距图 1 为不同厚度单晶薄板试样垂直于 001 方向横 截面的一次枝晶凝固组织 ,图 2 为平行于 001 方向纵截面的二次枝晶凝固组织 ,表 1 为一次 、二次枝晶臂间距与截面尺寸的关系 。可以看出 :随截面尺寸减小 ,一 次枝晶间距减小 ,而二次枝晶间距先增大后减小 ,当截 面尺寸为 01 8mm 时 ,一 、二次枝晶间距均达到最小 。22材料工程 / 2009 年 6 期表 1 不同截面尺寸试样凝固组织1 和2 值 Ta ble

14、1 1 a nd 2 of t he sp eci me ns i n va rio us 固速率 。对于成分确定的二元合金 , D , T0 ,S 均可视为常数 ,则1 值取决于- 1/ 4 GL - 1/ 2 。表 1 中1 值 变化结果与上述理论模型吻合 , 即 1 值与截面尺寸 成反比 ,随冷速增大 ,1 值线性减小 。有研究表明 11 ,晶内偏析 、缩孔及夹杂物的析出 均随二次枝晶臂间距的减小而趋于均匀 ,故减小二次 枝晶臂间距可以提高合金致密度 ,减小疏松 ,缩小元素 偏析 ,也有助于合金力学性能的提高 。从表 1 可知 ,相 比于 15 mm 试棒 , 三种厚度试 样组 织的 二

15、 次枝 晶臂 间距均变小 。但 11 5 mm 厚试样凝固组织二次枝晶臂 却明显粗化 ,这主要是由于二次枝晶组织大小除受温 度梯度和凝固速率影响外 ,凝固期间结晶潜热的释放 、 枝晶尖端的溶质再分配甚至粗化机制都是不可忽略的Sectio n size/ mm1 /m2 /m0 . 81 . 52 . 515242 . 72266 . 21291 . 6033050 . 6863 . 2953 . 5165一次枝晶臂间距对单晶高温合金的性能有重要影响 ,一般来说一次枝晶臂间距越 小 , 单 晶合 金性 能越 好 。根据凝固理论 ,枝晶臂间距取决于凝固界面上的 散热条件 ,散热能力越强 ,枝晶臂间

16、距越小 ,而单晶合 金定向凝固时固液界面处的散热能力又决定于凝固期 间的冷却速率 R ( R = GL ) , R 越大 ,散热能力越强 。在凝固速率( 对于工业定向凝固炉来说相当于抽拉 速率) 不变的情况下 ,随截面尺寸变小 ,薄板有效比表 面积增大 ,向外散热能力增强 ,而每一分枝凝固所放出 结晶潜热的影响区域较小 ,必将导致冷却速率增大 ,从 而 GL 增大 , 局部凝固时间缩短 , 一次枝晶间距减 小 。H unt 10 将柱状晶作为胞晶处理 , 建立了一次枝 晶臂间距1 的理论模型 ,其基于以下几点假设 : ( 1) 等 温面为平面且垂直于长大方向 ; (2) 枝晶尖端曲率半径 对溶

17、质分布及熔点温度的影响不容忽视 ; (3) 根据最小 过冷度判据 ,计算出的一次枝晶臂间距1 公式为 : 12 重要因素 。在枝晶生长过程中 ,枝晶尖端曲率半径不同 ,各枝晶臂附近液相内溶质浓度也会不同 ,枝晶尖 端曲率半径愈小 , 枝晶臂附近液 相 溶质 浓度 愈低 , 这样 ,由浓度不同而引起的溶质浓度梯度将促使溶质从 粗枝处向细枝处扩散 ,溶剂扩散方向则相反 ,从而造成 细枝熔化和粗枝变粗 。关于二次枝晶臂粗化除上述径 向熔化模型外 ,还有缩径熔断模型 、轴向熔化模型及枝 晶合并模型 ,尽管四种模型在形式上各不相同 ,但其实质都是一样的 11 。21 2 显微组织21 21 1截面尺寸对

18、相的影响 镍基单晶高温合金铸态相的大小 、形态会对随后的固溶处理产生影响 。图 3 为三种不同厚度单晶薄板 试 样与 1 5 mm试 样 枝晶 干和 枝晶 间相 形 貌 。从( 64D K T0 /S ) 1/ 4- 1/ 4 GL - 1/ 21 =其中 : 为液固界面能 ; D 为溶质扩散系数 ; K 为溶质平衡分配系数 ; T0 为合金凝固范围 ;S 为单位体积 熔化熵 ; GL 为固液界面前沿液相线温度梯度 ;为凝图 3 不同厚度单晶试样的相形貌( a) 01 8 mm ,枝晶干 ; ( b) 01 8 mm ,枝晶间 ; (c) 11 5 mm ,枝晶干 ; ( d) 11 5 mm

19、 ,枝晶间 ;( e) 21 5 mm ,枝晶干 ; (f ) 21 5 mm ,枝晶间 ; ( g) 15 mm ,枝晶干 ; ( h) 15 mm ,枝晶间 13 Fig1 3 mo rp holo gy of si ngle cr yst al sp eci men s wit h diff erent t hickne sse s( a) 01 8 mm ,dendritic co re ; ( b) 01 8 mm ,i nt er dendritic ; (c) 11 5 mm ,dendritic co re ; ( d) 11 5 mm ,i nt er dendritic ;

20、( e) 21 5 mm ,dendritic co re ; (f ) 21 5 mm ,i nt er dendritic ; ( g) 15 mm ,dendritic co re ; ( h) 15 mm ,i nt er dendritic 13 23一种镍基单晶高温合金凝固组织的截面尺寸效应图中可以看出 ,三种不同厚度试样的凝固组织中 ,枝晶干处的相均较细小且形态基本为棱角分明的立方 体状 , 与相基本保持共格 ;而枝晶间的相则较为 粗大且呈不规则形状 ,因其凝固冷却时间相对较长而 导致部分 与相失去共格关系 。出现这种形貌差异的 主 要 原 因 是 单 晶 高 温 合 金 凝 固

21、 过 程 中 , 大 量 的 Al , Ti , Ta 等相形成元素富集于枝晶间 , 导致枝晶 干与枝晶间成分偏析严重 ,使凝固后单相固溶体的自 由能升高 , 相析出的相变驱动力增大 ,优先在枝晶间 析出和长大 。相对 15 mm 试样而言 ,截面尺寸变小时 ,无论枝 晶干或枝晶间的相尺寸均变小且形状也变得较为 规则 。但对于浇注成形的三种不同厚度试样 ,其凝固 组织中相的形状和大小又存在差异 ,经测定厚度为21 5 ,11 5 ,01 8 mm 试样的枝晶干处相平均尺寸分别为 01 6 , 01 45 , 01 40m , 即随着截面尺寸 的减 小 , 枝晶 干处相的尺寸逐渐减小 ,当厚度为

22、 01 8 mm 时 ,枝晶 干处相的尺寸达到最小 。而不同厚度薄板试样枝 晶间的相尺寸变化不大 。截面尺寸减小 ,铸型向下 移动时两侧的散热能力增强 ,冷却速率增大 , 相形核时过冷度增大 ,形核量增加 ,长大时间缩短 ,因而形成 的相数量增多且尺寸细小 。相大小随截面尺寸的 减小虽然有减小的趋势 ,但变化不大 ,其原因是工业用 定向凝固炉的温度梯度不高 ,枝晶偏析严重 ,水冷结晶器向下撤退时 ,炉内存在一定的热量对流和不稳定导致冷却过程中温度梯度提高不大 。21 21 2截面尺寸对+共晶组织的影响 当合金以树枝状界面非平衡凝固时 ,固液界面处存在一个凝固糊状区 ,凝固过程中枝晶尖端不仅向凝

23、固前方排出溶质 ,同时也向枝晶两侧排出溶质 ,当枝晶 间残余液相中富集的 Al , Ti , Ta 等正偏析元素达到共 晶成分时 ,就形成共晶组织 。因此 ,形成共晶的驱动力 取决于凝固过程的偏析程度 。图 4 为厚为 01 8 mm 薄 板与 15 mm 试样的共晶形态 , 共晶 组织 全 部分 布于 枝晶间 。对比发现 ,当截面尺寸变小时 , +共晶数 量减少较多 ,通过定量金相法测定 , 15 mm 试样的共 晶含量为 21 57 % ,而当厚度减为 01 8 mm 时 ,组织中的 共晶含量仅为 11 19 % 。这样 ,一方面截面尺寸的减小 使得凝固过程中能够达到共晶成分的残余液相 量

24、减 少 ,偏析程度得到缓解 ; 另一方面 ,由于枝晶间距的减 小 ,枝晶密度相应增加 ,枝晶间大块的共晶被分割成许 多小块的共晶熔池 ,使得共晶尺寸减小 ,也有利于元素 偏析的缓解 。此外 ,截面尺寸改变时 ,共晶的形貌也发 生了较 大变 化 : 15 mm 试 样共 晶形 貌多 为 大块 板条 状 ;而厚为 01 8 mm 的薄板试样共晶尺寸小且分散 ,大 部分呈花瓣状 ,少量为板条状 , 共晶芯部的 相和 相趋于均匀化 ,共晶周围相的分布和尺寸随薄板试 样厚度的减小也变得较为规则 。图 5 给出了 3 种不同图 4 两类单晶试样的共晶形态 ( a) , ( b) 01 8 mm , 薄壁试

25、样 ; (c) , ( d) 15 mm , 标准试样Fig1 4 /eut ectic mo rp holo gy i n bo t h si ngle cr yst al speci men s( a) , ( b) 01 8 mm , t hi n speci men ; (c) , ( d) 15 mm , st a nda r d sp eci men24材料工程 / 2009 年 6 期21 3 枝晶偏析用 N SS300 扫描电镜能谱仪对三种不同截面尺寸 薄壁试样枝晶干和枝晶间各主要合金元素 Al , Ti , Cr , Co , W ,Mo , Ta 含量进行了测定 。由于能谱

26、分析是一 种半定量分析手段 ,因此对不同厚度试样的枝晶干 、间各合金元素成分取平均值进行分析对比 。通过点分析所得数据求出各元素的偏析比 S R = C1 / C2 。其中 , C1为枝晶间最大溶质含量 ; C2 为枝晶干最小溶质含量 。 表 2 给出了不同截面尺寸试样枝晶干和枝晶间的化学成分和由此计算得出的偏析比 。从表中可看出 : Al , Ti , Ta , Mo 的偏析比大于 1 ,属正偏析元素 , 富集于枝晶间 ; Cr ,Co , W 偏析比小于 1 ,属负偏析元素 ,富集于枝晶干 。其中 Al ,Mo ,Co ,Cr 偏析系数的变化不 大 ,基本接近 1 ,而 Ti , Ta ,

27、 W 的偏析较为严重 。相对 于 15 mm 试样而言 , 各不同厚 度薄 壁试 样 的元 素偏析程度均得到一定的缓解 。原因在于 15 mm 试样中 的大块共晶消耗了大量的 Al , Ti , Ta 等形成元素 , 使共晶前沿出现这些元素的贫乏区而形成偏析 ,而由 于溶质的再分配 ,会导致 Co , Cr 等元素在共晶前沿高 度富集 。不同截面尺寸薄壁试样的 Al , Ti , Ta , W 等元素偏析均得到不同程度的缓解 ,说明截面尺寸减小 带来的冷却速率增大在一定程度上减小了元素偏析 。图 5 截面尺寸与+共晶含量的关系Fig1 5 Relatio n ship bet ween vol

28、 u me f ractio n of+eut ectic a nd sectio n size s厚度薄板试样 +共 晶 含 量 随 截 面 尺 寸 的 变 化 情况 : 在不同厚度板状试样凝固过程中 ,随截面尺寸的 减小 ,共晶 含 量 先 增 加 后 减 少 。这 是 因 为 截 面 尺 寸减小时 ,冷却速率随之增加 ,固液界面前沿过冷度增大 ,凝固糊状区变宽 ,使能够形成共晶的残余液相量 增多 , 共 晶 尺 寸 变 小 , 数 量 增 多 ; 而 当 薄 板 度 减 为01 8 mm 时 ,由于散热 能力 的增 强 使 得 成 分 偏 析 得 到较大程度抑 制 , 参 与 形 成 共

29、 晶 的 残 余 液 相 量 大 为 减 少 ,此时+共 晶 无 论 数 量 还 是 尺 寸 均 减 少 , 分 布 也更为均匀 。表 2 不同厚度单晶薄壁试样的元素偏析( 质量分数/ %)Ta ble 2 Element segregatio n a nalysi s of t hin2wall sp ecimens wit h diff erent t hickne sse s ( ma ss f ractio n/ %)Sectio n sizeElementAlTiCrCoWMoTaDendritic co reInt er dendriticS R6 . 577 . 081 . 08

30、2 . 103 . 041 . 456 . 865 . 940 . 874 . 243 . 960 . 936 . 374 . 880 . 771 . 611 . 871 . 164 . 535 . 561 . 230 . 8 mmDendritic co reInt er dendriticS R5 . 986 . 401 . 071 . 612 . 681 . 667 . 567 . 350 . 975 . 054 . 800 . 957 . 905 . 700 . 722 . 002 . 161 . 084 . 005 . 081 . 271 . 5 mmDendritic co reI

31、nt er dendriticS R6 . 347 . 111 . 122 . 053 . 521 . 715 . 944 . 780 . 803 . 953 . 420 . 877 . 475 . 010 . 671 . 501 . 541 . 034 . 405 . 761 . 312 . 5 mmDendritic co reInt er dendriticS R5 . 066 . 451 . 271 . 503 . 112 . 076 . 035 . 440 . 906 . 625 . 370 . 818 . 404 . 570 . 541 . 692 . 351 . 393 . 69

32、5 . 041 . 3715 mm合金在凝固过程中的溶质再分配是造成元素偏析的根本原因 ,枝晶偏析的性质是由元素平衡分配系数 K0 的性质决定的 。工业用定向凝固炉由于温度梯度 不高 (一般为 20100 / cm) ,枝晶偏析严重 。而通过 减小壁厚使得凝固过程中的冷却速度提高 ,先凝固的 枝晶干区与残余液相中溶质含量差别减小 ,枝晶被细 化 ,枝晶臂间距减小 ,也使得凝固后固溶体中的扩散距 离随之缩短 ,提高了扩散的均匀化效果 ,即降低了元素偏析 。单晶高温合金由于非平衡凝固而造成的元素偏析 使材料需经均匀化处理才能使用 。枝晶组织中一旦形 成发达的 +共晶 ,将很难在均匀化过程中被消除

33、, 从而影响合金的使用性能 。截面尺寸的减小带来冷却 速率的增大使得共晶数量和共晶尺寸均减小 ,进行后 续固溶处理时更容易实现均匀化 ,从而提高合金的性 能 。为防止薄板试样自由表面氧化 ,本研究对 3 种不25一种镍基单晶高温合金凝固组织的截面尺寸效应同厚度的薄板试样进行真空固溶热处理后 ,发现 +共晶均已基本消除 。图 6 为 15 mm 试样与 21 5 mm厚薄板试样经真空固溶热处理后的金相照片对比 ,可见对当厚度为 21 5 mm 的薄板试样 ,共晶已基本消除 ,偏析程度大为缓解 , 而 15 mm 试样 由于 存 在大 块共 晶 ,不易被消除 ,经固溶处理后仍残留少量共晶 。图 6

34、 固溶处理后的显微组织 ( a) 21 5 mm ,薄壁试样 ; ( b) 15 mm ,标准试样Fig1 6 Micro st r uct ure s of soli d2sol utio n t reat ment( a) 21 5 mm ,t hi n speci men ; ( b) 15 mm , st a nda r d sp eci men结论al s Science a nd Technolo gy , 1997 , 13 : 1033 - 1038 .BAL DA N A . Eff ect s of micro st r uct ure a nd t hickne ss o

35、 n t he creep behavio r of a sup erallo y J . Mat erial s Science let t er s , 1997 , 16 :780 - 783 .BAL DA N A . Co mbi ned eff ect s of t hi n2sectio n size , grai n size a nd cavitie s o n t he high t emperat ure creep f ract ure p ropertie s of a nickel2ba se superallo yJ . J o ur nal of Mat eri

36、al Science , 1997 , 32 :35 - 45 .BAL DA N A . On t he t hi n2sectio n size dep endent creep st rengt h of a si ngle cr yst al nickel2ba se superallo yJ . J o ur nal of Mat erial Sci2 ence , 1995 , 30 : 6288 - 6298 .DO N ER M , H EC KL ER J A . Identificatio n of mecha ni sms re2 spo n si ble fo r de

37、gradatio n i n t hi n2wall st re ss r up t ure p rop ertie s A . R EIC H MA N S. Superallo ys 1988 C . Penn syl vania : TMS , 1988 . 653 - 662 .SE E T H A RA MA N V , GE T EL A D. Thickne ss debit i n creep p rop ertie s of PWA 1484 A . GR EEN K A . Sup erallo ys 2004 C . Penn syl vania : TMS , 2004 . 207 - 213 .W H I T ES ELL H S , L I L , OV ER F EL T R A . Infl uence of di rec2tio nal soli dificatio n va riables o n t he dendrit e a r m spaci ngs of Ni2 ba se sup erallo ys J . Met all ur gical a nd Mat erial s Tran sactio n s B , 2000 , 31B : 546 - 551 .胡汉起.