论文部分内容阅读
镍基单晶高温合金具有优良的高温性能，是目前制备先进航空发动机和燃气轮机热端部件的主要材料。作为第四代和第五代镍基单晶高温合金的标志性元素，Ru的加入对高温合金的发展起到了巨大的推动作用，因此对Ru在镍基单晶合金中的作用机理研究，成为近年来高温合金界研究的热点。目前关于Ru的作用规律多由中、低Cr合金体系研究而来，由于Cr是决定合金抗热腐蚀性能高低的关键元素，而且与Ru之间存在复杂的交互作用，所以，开展高Cr合金体系中Ru的作用研究具有重要的理论和现实意义。 本文以一种高Cr镍基单晶高温合金为基础，利用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、差示扫描量热分析(DSC)、电子探针(EPMA)等方法研究了Ru含量变化对镍基单晶高温合金凝固组织、持久性能及组织稳定性的影响。在此基础上，进一步研究了抽拉速率变化对含Ru合金组织性能的影响，分析了β-NiAl相的析出特性。 随着Ru含量（0、1.5wt.％、3wt.％）的增加，一次枝晶间距和二次枝晶间距逐渐降低，γ相尺寸逐渐减小，(γ+γ）共晶含量表现为先增加后降低的变化趋势;Ru添加对合金固、液相线及糊状区宽度影响不大，降低了γ相的析出温度。与0Ru合金相比，添加1.5wt.％Ru对其它元素有“逆分配”的作用，当合金中Ru含量继续增加到3wt.％时，各元素在γ基体和γ相中的分配类型没有改变，但降低了Ru的“逆分配”作用;Ru提高了正偏析元素Ta、Al和负偏析元素Re的偏析程度，降低了正偏析元素Mo、Cr的偏析程度。在1070℃/140MPa持久条件下，Ru表现出明显的强化作用，三种合金γ相均表现为N型筏化，持久断口属于微孔聚集型断裂。 在900℃、1000℃及1100℃长期时效过程中，Ru添加促进了合金中μ相的析出，降低了合金的组织稳定性。Ru添加，一方面使难熔元素向γ相中分布，降低了γ基体的过饱和度;另一方面，Ru自身倾向偏聚于γ基体，提高了γ基体的过饱和度，在上述两种相反趋势综合作用下，1.5Ru合金中TCP相析出倾向最为严重;随着Ru含量的提高，γ相的筏化程度逐渐加剧;三种合金在1000℃下TCP相析出倾向最为严重，900℃次之，1100℃再次之。 在3mm/min、6mrm/min和9mm/min抽拉速率下，三种（均含2wt.％Ru）合金铸态组织均为典型的枝晶组织。随着抽拉速率的增加，合金的凝固组织由粗枝状向细枝状演变，一次枝晶间距、二次枝晶间距和γ相尺寸逐渐减小;碳化物含量逐渐增加，而尺寸逐渐减小;(γ+γ）共晶含量先增后减，尺寸逐渐变小;疏松含量和尺寸变化不大。抽拉速率增加，合金固相线温度略微升高，液相线温度无明显变化，相溶解温度和糊状区宽度略微降低。抽拉速率的增加提高了元素向γ基体和γ相中的偏聚程度;Re和W的枝晶偏析系数呈逐渐增加的变化趋势，其它元素变化较小。在1070℃/140MPa持久条件下，三种合金γ相均表现为N型筏化，属于微孔聚集型断裂。随着抽拉速率的增加，合金持久寿命逐渐降低，枝晶偏析加剧、碳化物和疏松含量增多是导致合金持久性能降低的主要原因。 随着Ru含量的增加，2Ru和3Ru合金枝晶间区域有β-NiAl相析出。β-NiAl相含有较多的Ru、Cr、 Co元素，多与（γ+γ）共晶依附共生，周围包覆有一薄层γ相。β-NiAl相的生成抑制了合金中（γ+γ）共晶的形成，其含量和显微硬度随Ru含量增加而不断提高。与3mm/min抽拉速率相比，6mm/min抽拉速率合金中β-NiAl相含量显著降低，进一步提高抽拉速率至9mm/min，β-NiAl相含量变化不明显。凝固过程中，β-NiAl相析出后发生了L+β→γ包晶反应，然后析出(γ+γ）共晶相;β-NiAl相析出降低了合金的初熔温度。