单晶高温合金的变形行为和再结晶研究.docx
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1、单晶高温合金的变形行为和再结晶争论XXX北京科技大学材料学院 100083 北京摘要:本篇文章概述了单晶高温合金主要是镍基单晶高温合金的变形行为,尤其是蠕变性能。还有单晶高温合金的再结晶方面的一个总结性结论。关键词:单晶高温合金,变形行为,蠕变,再结晶The deformation behavior and recrystallization of single crystal superalloyWuRihanSchool of Materials Science and Engineering, University of Science and Technology Beijing, 1
2、00083, BeijingAbstract: This article summarizes the deformation behaviour, especially the creep deformation, of the single crystal superalloy. And it also made a summary recrystallization to the recrystallization behavior of the single crystal superalloy.Keywords: single crystal superalloy,deformati
3、onal behavior,creep deformation,recrystallization1 引言从 80 年月初第一代单晶高温合金研制成功以来,单晶合金的进展甚为快速,其次代、第三代单晶合金相继消灭和应用,为航空发动机和地面燃气轮机的性能大幅度提高做出了重大奉献。镍基单晶高温合金具有优良的高温性能,是目前制造先进航空发动机和燃气轮机叶片的主要材料。为了满足高性能航空发动机的设计需求,多年来,各国格外重视镍基单晶高温合金的研制和开发。镍基高温合金作为先进发动机叶片的主要用材,其再结晶问题日益受到重视。在生产和服役过程中,由于单晶凝固过程中模壳收缩、机械去除模壳、叶片的研磨校形等过程难以
4、避开会在单晶叶片中引入肯定的塑性变形。带有塑性变形的叶片在高温热处理以及实际使用过程中会发生回复和再结晶。由于镍基单晶高温合金中不含或只含有少量的晶界强化元素,再 结晶层成为合金性能薄弱的区域,这些区域将对叶片的高温性能造成不利的影响,甚至会导致整个叶片在极短的时间发生失效断裂。因此需严格掌握再结晶的发生。所以了解单晶高温合金的变形行为和再结晶是很重要的。2 正文2.1 单晶高温合金单晶高温合金具有优良的高温性能,是目前制造先进航空发动机和燃气轮机叶片的主要材料。为了满足高性能航空发动机的设计需求,多年来,各国格外重视镍基单晶高温合金的研制和开发。到目前为止,单晶合金已进展了 5 代。依据牢靠
5、的文献供给,单晶高温合金成分的进展有以下特点:1) C, B, H 从“完全去除”转为“限量使用”。这几种元素历来被看作是晶界强化元素,而且使合金初熔温度降低。由于单晶合金没有晶界,又要求具有宽的热处理窗口,故在最初进展的商用单晶合金(如 PW A 1480, CM SX - 2 等)中是“完全去除”这几种元素的。但近年来觉察,这些元素具有一些特别的作用,单晶合金不能缺少它们。2) 难熔元素(Ta, Re W, Mo)的添加总量增加。以 CM SX系列单晶合金为例,难熔元素的质量分数在第 1 代为 14.6%,在第 2 代为 16.4%,而在第 3 代则高达 20.7%。其中,Re 增加的幅度
6、较大,为了平衡合金化,Mo, W 等的含量削减,而 A1 的含量有了肯定的增加。Ta 的作用是增大 / 错配度、强化 相和提高其高温稳定性。3) Cr 的含量降低。在第 3 代单晶合金中,Cr 的含量降至 5%以下,尤其是在 CM SX- 10 合金中,Cr 的含量只有 3%左右;在第 4 代单晶合金 MC-NG 中,Cr 的含量降到 4%。Cr 是抗环境腐蚀元素。通常认为,C 在合金中的含量低于 5%时,合金的抗氧化、抗腐蚀性能将恶化到不能允许的程度。但是,对只含 26 %的 Cr 的 CM SX-10 合金的热腐蚀试验证明,其抗腐蚀性能与已广泛用作燃气轮机叶片的CM 247LC 合金(含
7、8%的 Cr)和CM SX - 10 合金(含 6 % 的 Cr)的相当,还优于含 9%的 Cr 的 DSMAR- M 002 合金。这是由于合金中Ta, Re 的含量较高(Ta+ Re15%)。Cr 的含量降低,就允许参加更多其他的合金化元素,从而保持组织稳定, 这无疑对合金性能的提高极为有利。4) 稀土元素和 Ru, Ir 的应用。在第 2、3 代单晶合金中,有很多添加了 Y, La, Ce 等稀土元素。Y 的参加(200*10-6)可以明显改善单晶合金的抗氧化性能,而且对热疲乏性能也有好处。俄罗斯的二 36 合金不含Ta 只含 2%的Re 但其长久强度却到达第 2 代单晶合金的水平,缘由
8、之一是参加了稀土元素。另外,值得留意的是,在进展第2、3 代单晶合金中, 试用了 1 种格外特别的元素Ru;General Electric 和 ONERA 公司最先对添加Ru 的合金进展了合金化试验。通过试验可知,与 Re 相比,Ru 最明显的优势是具有较低的密度和较低的TCP 相析出的倾向;添加Ru 的单晶高温合金表现出优异的高温蠕变性能。镍基单晶高温合金是高度简单化的合金,通常含有610 个合金化元素。在显微组织正常的镍基高温合金中,主要是 相和 相,还有几种相是在合金的服役过程中析出的。下面简洁介绍下这几个相。1) 基体。 基体是通常含有较大数量固溶元素(如 Co, Cr, Mo 和
9、W)的连续分布的面心立方构造的镍基奥氏体相。尽管Ni 不具有高的弹性模量和低的集中率,但 相基体格外适用于在最苛刻的温度条件下工作的燃气涡轮发动机。有些合金能在 0.9Tm(熔点)温度下使用,且在较低温度下的使用时间可达100000h,其根本缘由在于:Ni 的第3 电子层根本饱和, 在合金化时容量大,相的稳定性很高;当参加 Cr 后,形成富Cr203 的具有低的阳离子空位的保护层,从而降低了金属元素向外集中的速率以及0,N,S 和其他腐蚀气体向内的集中速率;在高温下形成富Al203 保护层,具有良好的抗氧化性。2) 相。 相是 1 种以Ni3A1 为基的金属间化合物,与基体一样都是面心立方构造
10、,且2 相的点阵常数相差很小, 相总是在 基体上共格析出,是镍基高温合金中最重要的强化相。3) 碳化物相。在以前的镍基单晶高温合金中,一般不含有碳化物相。但随着合金成分的不断进展,少量 C 的添加使单晶高温合金中消灭了碳化物。碳化物的反响会影响合金基体的组织稳定性。镍基单晶高温合金中可能消灭的碳化物类型有MC,M C 和 M C 。依据形成条623 6件,又可分成初生碳化物和次生碳化物,即合金凝固时形成的和固态析出的2 种。但是,与多晶合金和定向凝固合金相比,镍基单晶合金碳化物的含量是格外低的。4) TCP 相。某些成分掌握不当的合金在热处理或服役时会产生TCP 有害相,只有四周体空隙。TCP
11、 有害相的特征,是沿着fcc 基体的八面体的面以“编篮”网络的形式构成原子密排面。这种相通常呈薄片状,常常在晶界碳化物上形核。在镍基合金中最常见的是 相和 相。 相属于四方点阵,单位晶胞中有30 个原子,最大配位数为15。 相的成分范围比较宽;在镍基合金里, 相的成分可认为是(Cr, Mo) Ni, Co 。这里x 和 y 的变化范围很xy大,一般为 17。 相格外硬,呈片状,是裂纹的重要发源地,也会加速裂纹的扩展,导致低温脆断,就像 化的铁素体不锈钢一样。 相的构造与 M C 碳化物的构造相像,假设除23 6去 M C 碳化物中的碳原子,只需略微调整金属原子的位置就可变成 相的构造。23 6
12、 相属于菱方晶系点阵,构造简单,单位晶胞有 13 个原子,典型的分子式为 B A 。B7 6元素指周期表中V族元素,A 元素为V 族、VI 族元素。在镍基高温合金中, 相主要由Ni、Co, W 和 Mo 组成。 相与M C 碳化物有相像的密排关系。 相通常也呈片状析出,但对它对6性能的有害影响知道得还很少。TCP 相的形成主要受电子因素掌握,与合金的电子空位数有关。因此,可以通过计算合金中的电子空位数N 值来推测TCP 相的形成。v2.2 单晶高温合金的变形行为镍基单晶高温合金因具有优异的蠕变、疲乏、氧化及腐蚀抗力等综合性能,而被广泛应用于航空发动机和工业燃气轮机的叶片材料。涡轮叶片作为涡轮喷
13、气发动机的心脏部位,在服役过程中,工作温度最高,受力最简单,最简洁损坏,已成为发动机进展的打算因素.为了满足现代航空和航天发动机涡轮叶片承温顺承载力量越来越高的要求,必需有效提高合金的综合性能,大力进展一代涡轮叶片材料为此,一方面需通过从多晶铸造合金、定向结晶合金到单晶合金的转变,逐步消退高温下晶界的弱化作用;另一方面需通过合金化、微合金化以及组织设计大幅度提高合金的性能。如上所述,镍基单晶高温合金是一种两相复合材料,由基体 相和以立方构造存在的 沉淀相组成,如图1 所示。 沉淀相均匀镶嵌在软的 基体相中,是重要的强化相,其体积分数约为 70%。镍基单晶高温合金良好的高温力学性能直接来源于 基
14、体中共格析出的高体积分数的 相,其力学性质主要由以下因素打算:1) 沉淀相的外形、尺寸、体积分数以及分布状态。2) / 相界面的微观构造、弹性模量差以及晶格错配度。3) 第 3 种溶质元素和杂质的影响,即沉淀强化和固溶强化机制。镍基单晶高温合金是在一般铸造及定向凝固工艺的根底上进展起来的,其特点是无晶界,不存在高温晶界弱化和纵向晶界裂纹等问题.因此, / 相的界面微构造以及在外载和高温条件下相界面位错构造的演化打算了其力学性能。图 1 镍基单晶高温合金CMSX4 微观构造此外,镍基单晶高温合金有一个引人留意的特征:在高温施加应力的条件下,立方形 沉淀相见发生定向粗化形成筏状。2.2.1 镍基单
15、晶高温合金的蠕变性能离心应力导致的蠕变损伤是单晶合金叶片的主要失效机制,因此蠕变强度是反映镍基单晶高温合金高温力学性能的重要指标.由于 相是镍基单晶高温合金的主要强化相, 颗粒的定向粗化在叶片典型使用条件(120 MPa 及 1373 K)下仅仅lOh 就已经消灭,其形态的转变必定会对高温合金性能产生严峻影响。2.2.2 蠕变过程及驱动力镍基单晶高温合金的蠕变曲线由蠕变减速、稳态蠕变及蠕变加速 3 个阶段组成,图 2给出了(001)取向镍基单晶高温合金的典型蠕变曲线.叶片在服役过程中主要经过这 3 阶段的蠕变,最终导致失效。图 2 单晶高温合金的典型蠕变曲线在施加载荷的瞬间,产生瞬间应变,形变
16、产生的界面位错在合金的 基体通道中滑移, 在蠕变第一阶段, 相不发生滑移变形,仅仅发生弹性变形,只有 基体相发生蠕变变形。随着蠕变的进展,位错数量增加,或运动位错相遇发生反响而增殖,使位错运动阻力增加, 致使应变速率降低。同时,由于热激活作用,促使位错滑移,或异号刃位错相遇而消逝,使合金产生回复软化。当形变硬化与回复软化到达平衡时,蠕变进入其次阶段,即稳态阶段。此时立方 相已完全转变为筏状构造,具有最低应变速率、稳态蠕变期间的变形机制是位错攀移越过筏状 相。之后,随着蠕变的进展,大量位错运动至 / 界面,产生应力集中。当应力集中超过肯定值时,有位错切入 相.随位错切入 相数量的增加, 相形变抗
17、力减弱,致使应变速率增加,合金蠕变进入第三阶段。在蠕变第三阶段,随应变量 的增加,合金中形成微裂纹及微裂纹扩展直至断裂,最终导致单晶高温合金的失效。从细观构造来看,镍基单晶合金由基体相 和强化相 组成,蠕变前立方体状 相以共格方式嵌入 基体中。在蠕变的初始阶段,伴随着合金 基体中的位错运动, 相首先遵循肯定的规律筏化(N 型或 P 型),在宏观上主要对应于蠕变第一阶段。最小体系自由能分析说明,这是一个能量降低的过程,有利于蠕变强度的提高;蠕变其次阶段在细观层次上 筏化构造保持不变,而微观观测说明,位于相界处的有利于提高蠕变强度的三维位错网络逐 渐消散,这意味着相界面结合能正在渐渐降低.蠕变的第
18、三阶段表现出解筏和筏构造粗化, 同时有一些空穴在材质松疏处、第三相粒子以及相界面上形成,并沿相界面扩展,最终导致 断裂。从以上对镍基单晶合金蠕变过程中微构造演化的分析说明:镍基单晶合金的蠕变性质由3 个具有内在联系的微构造演化过程掌握:1) 基体通道中位错密度增加,位错滑移和位错攀移掌握主蠕变阶段,此时 相已完成筏化;2) 由于位错的湮灭,基体相中的位错切入 沉淀相中;3) 随着大量位错切入 相, 相形变抗力减弱,致使应变速率增加,表现出解筏和筏构造粗化。从以上分析可知,镍基单晶合金蠕变过程中消灭的 相筏化、解筏以及粗化过程对应着 / 相界面位错密度的增加、位错网构造的形成以及位错网的破坏过程
19、. 因此,镍基单晶合金的蠕变过程不仅是组织外形的演化过程,也是位错网构造的演化过程, 与 相的定向粗化(筏化)亲热相关。2.3 单晶高温合金的再结晶2.3.1 再结晶物理过程单晶叶片制造过程中在某些环节可能消灭塑性变形,例如叶片凝固过程产生的热应力、外表吹砂处理、打磨处理等,都有可能导致在叶片中发生形变,而产生剩余应力,组织构造 方面发生了简单的变化,一局部能量以点缺陷、位错、层错等方式储存在晶体当中,集中表 现为能量的上升,即较之变形前处于不稳定的高自由能阶段,这局部能量,正是之后在热处 理中发生回复和再结晶的驱动能。因此,只要当温度较高,原子集中力量提高时,就会向着 低自由能方向转变,这些
20、区域在接下来的热处理过程中可能产生再结晶,图 3 给出了典型的单晶高温合金叶片的再结晶缺陷。图 3 单晶高温合金叶片再结晶缺陷已有争论说明,单晶高温合金的再结晶包括回复、再结晶形核和生长、以及由晶界迁移 引起的晶粒长大 3 个阶段,这 3 个阶段并没有明显的界限,会发生一些重叠。回复过程中, 局部应力和储存能得以释放,但该过程对微观组织的影响很小,大局部能量仍旧保存下来,然后通过形核和长大形成根本无应变的晶粒。但由于单晶消退了晶界的影响,因而单晶合金的再结晶与一般变形金属和合金再结晶有着很大的区分,单晶高温合金再结晶需要的温度较高,再结晶区域根本仅限于合金外表。2.3.2 影响单晶高温合金再结
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