第３０卷　第６期　２０１０年１２月　航空材料学报　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＡＥＲＯＮＡＵＴＩＣＡＬ　ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ　Ｖｏ１．３０，Ｎｏ．６　Ｄｅｃｅｍｂｅｒ　２０１０　一种含铼和碳的镍基单晶高温合金显微组织的研究　曹腊梅，　李相辉，　薛　明，　张　勇，　李爱兰　（北京航空材料研究院先进高温结构材料国防科技重点实验室，北京１０００９５）　摘要：研究了一种含铼和碳的镍基单晶高温合金的铸态和热处理态的显微组织。结果表明：合金铸态组织中枝晶　干和枝晶间区域的＾ｙ　相呈近立方状，枝晶间区域析出了少量的共晶相和ＭＣ型碳化物；合金经固溶处理后，共晶相　完全消除，显微偏析得到明显改善。经标准热处理后，枝晶干和枝晶间的＾ｙ　相立方度提高，枝晶干区域　相的体积　分数和尺寸都小于枝晶间区域的，其体积分数和尺寸分别为６ｌ％，０．３２１￣ｍ和６８％，０．４１　ｍ，而碳化物的形貌和尺　寸无明显变化。合金经１０９５℃／ｌＯＯｈ处理后，枝晶干析出了一定量富集Ｒｅ和ｗ的ＴＣＰ相。　关键词：碳化物；－ｙ　相；显微组织；ＴＣＰ相；单晶合金　ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００５—５０５３．２０１０．６．００３　中图分类号：ＴＧ１３２．３　文献标识码：Ａ　文章编号：１００５—５０５３（２０１０）０６—００１ｌ＿０５　镍基单晶高温合金具有优异的综合性能，被广　泛用于制造先进航空发动机涡轮叶片¨　。第二、三　代单晶合金中通过添加了铼（Ｒｅ）和增加其他难熔　元素的含量，显著地提高了合金的蠕变性能　’　。　Ｒｅ主要分布于＾ｙ基体中，形成短程有序的原子团，　这种原子团能够有效阻止位错运动，抑制　相的粗　化，比传统的固溶方式具有更好的强化效果　。然　而，Ｒｅ及其他难熔元素存在明显的偏析倾向，长期　服役状态下会析出有害组织，如ＴＣＰ相、ＳＲＺ和胞　状沉淀，并严重降低合金的性能　。因此，人们多　采用较为复杂的热处理工艺来降低偏析，使合金元　素最大限度的均匀化，减小有害组织的析出　。　单晶合金发展之初去除了ｃ，Ｂ和Ｈｆ等晶界强　化元素，但近期的研究表明，这些元素具有特殊的作　用。如ｃ能够净化合金熔体，提高合金的抗腐蚀能　力，减少发生再结晶的几率，以及降低共晶、缩孔含　量和提高组织稳定性　。本工作研究了含铼和　碳的新型镍基单晶高温合金的铸态和热处理态的组　织，分析了合金显微组织的组成、形貌和数量的变　化。　１　实验材料与方法　实验所用合金为Ｎｉ－４Ｃｒ．１２Ｃｏ一１．５Ｍｏ．６Ｗ一５Ｒｅ．　收稿１３期：２００９－０５—１３；修订日期：２００９－０６—１８　作者简介：曹腊梅（１９６６一），女，研究员，主要从事镍基单晶　高温合金研究。　５．７Ａ１．７Ｔａ一０．０２Ｃ（质量分数／％）。采用螺旋选晶法　在定向凝固设备上制备出沿［００１］方向结晶生长的　￣ｂｌ５ｍｍ×１６０ｍｍ的单晶试棒。通过劳厄背散射法　测定试棒的结晶取向。合金的固溶处理制度：　１３００℃／２　ｈ　４－１３１０℃／２　ｈ＋１３２０　ｃ【＝／６　ｈ，ＡＣ，时效热　处理制度：１１４９ｃ【＝／４　ｈ，ＡＣ＋８７１℃／２４　ｈ，ＡＣ。　采用光学显微镜（ＯＭ）、扫描电子显微镜　（ＳＥＭ）表征合金的组织形貌，利用扫描电镜能谱　（ＥＤＳ）评定合金元素偏析和测定相成分；利用Ｉｍ．　ａｇｅ－ｐｒｏ　Ｐｌｕｓ软件统计＾ｙ　相尺寸，利用网格法测定共　晶含量和＾ｙ　相体积分数。　２　实验结果　２．１合金铸态组织　图１为制备的结晶取向偏离主轴６。的单晶合　金试棒的铸态组织形貌。图１ａ为试棒纵截面上呈　树干状的一次枝晶形貌，其平均一次枝晶臂间距为　２５０１￣ｍ。图１ｂ为试棒横截面上的枝晶典型形貌，二　次枝晶臂平均间距为１１０ｐ￣ｍ；枝晶间区域存在４％　～５％的　／　共晶相。图１Ｃ为枝晶间区域白色析　出相ＳＥＭ照片（如箭头所示），ＥＤＳ能谱分析结果　表明该相为富含Ｔａ和ｃ，原子分数分别为３５％和　４２％，表明该相为ＭＣ型碳化物ＴａＣ。图１ｄ为枝晶　间区域连续分布的碳化物的放大照片图片，碳化物　呈块状和条状分布。　图２为实验合金铸态下不同区域的．ｙ　相形貌。　相在基体中均匀析出，枝晶干处＾ｙ　相呈近立方状，

　１２　航空材料学报　第３０卷　

图１　单晶合金铸态组织形貌（ａ）纵向；（ｂ）横向；（Ｃ），（ｄ）碳化物　Ｆｉｇ．１　Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ　ｓｅｃｔｉｏｎ（ａ），ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ　ｓｅｃｔｉｏｎ（ｂ），ｃａｒｂｉｄｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ａｓ—ｃａｓｔ　ａｌｌｏｙ（Ｃ，ｄ）　尺寸为０．１３　ｍ，体积分数为３６％（图２ａ所示）；枝　晶间区域　相也呈近立方状，尺寸约为０．３１　ｍ，体　积分数为４７％（图２ｂ所示）。　

图２合金铸态　相形貌　（ａ）枝晶干；（ｂ）枝晶间　Ｆｉｇ．２　Ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｅｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ａｓ—ｃａｓｔ　ａｌｌｏｙ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｄｅｎｄｒｉｔｅ　ｃｏｒｅ（ａ）ａｎｄ　ｉｎｔｅｒｄｅｎｄｒｉｔｉｃ　ｒｅｇｉｏｎ（ｂ）　２．２合金元素偏析状态　合金经１３００℃／２　ｈ＋１３１０℃／２　ｈ＋１３２０℃／　６　ｈ，ＡＣ固溶处理后，共晶全部消除。　表１为合金热处理前后枝晶干、枝晶间的能　谱分析结果以及由此计算出的偏析系数。铸态　合金中Ｒｅ，Ｗ和Ｍｏ的偏析系数分别为０．３５，　０．４３和０。７０，强烈偏析于枝晶干，Ｔａ和Ａｌ偏析　系数分别为２．９５和１．２９，偏析于枝晶问，而其他　元素无明显偏析。合金经固溶热处理后，元素通　过扩散进行重新分布，难熔元素Ｒｅ，Ｗ，Ｍｏ和Ｔａ　的偏析系数变为０．７６，０．８６，０．８和１．７，偏析程　度得到显著改善。　表１　铸态和固溶态合金枝晶干、枝晶间成分（质量分数／％）和合金元素偏析系数（％）　Ｔａｂｌｅ　１　Ｔｈｅ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ（ｍａｓｓ　ｆｒａｃｔｉｏｎ／％）ａｎｄ　ｓｅｇｒｅｇａｔｉｏｎ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｌｌｏｙｉｎｇ　ｅｌｅｍｅｎｔｓ（％）ｉｎ　ｔｈｅ　ｄｅｎｄｒｉｔｅ　ｃｏｒｅ　ａｎｄ　ｉｎｔｅｒｄｅｎｄｒｉｔｉｅ　ｒｅｇｉｏｎ　ｏｆ　ａｓ－ｃａｓｔ　ａｌｌｏｙ　ａｎｄ　ａｌｌｏｙ　ａｆｔｅｒ　ｓｏｌｕｔｉｏｎ　ｈｅａｔ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　

２．３合金热处理态组织　图３为合金经完全热处理后枝晶干和枝晶间处　的典型微观组织，枝晶干和枝晶间区域的　相形状　

均为规则立方，体积分数为６１％和６８％，尺寸为　第６期　一种含铼和碳的镍基单晶高温合金显微组织的研究　１３　０．３２　ｍ和０．４１　ｍ。此外，合金经完全热处理后　枝晶问区域的碳化物仍呈块状和条状分布，如图４　所示。能谱分析表明碳化物仍是富含Ｔａ的ＭＣ型　碳化物ＴａＣ；与铸态析出的碳化物相比，其形貌和尺　寸无明显变化。　

图３完全热处理后的典型显微组织　（ａ）枝晶干；（ｂ）枝晶间　Ｆｉｇ．３　Ｔｙｐｉｃａｌ　ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｆｔｅｒ　ｓｔａｎｄａｒｄ　ｈｅａｔ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｄｅｎｄｒｉｔｅ　ｃｏｒｅ（ａ）ａｎｄ　ｉｎｔｅｒｄｅｎｄｒｉｔｉｃ　ｒｅｇｉｏｎ（ｂ）　

图４合金热处理后的碳化物形貌　Ｆｉｇ．４　Ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ＭＣ　ａｆｔｅｒ　ｈｅａｔ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　２．４合金的组织稳定性　组织稳定性实验表明，合金只在枝晶干区域析　出了有害ＴＣＰ相。图５显示了合金经１０９５℃不同　时间（５０～ｌＯＯｈ）处理后枝晶干区域的ＴＣＰ相形貌。　合金经１０９５　ｃ【＝／５０ｈ后处理后枝晶干区域仅析出极　少量的ＴＣＰ相，成块状（如图５ａ所示）。经ｌＯＯｈ热　处理后，合金枝晶干区域则析出一定量的ＴＣＰ相，　体积分数约为３．４％，成针状和块状（如图５ｂ所　示）。能谱结果分析表明该ＴＣＰ相富集Ｒｅ和ｗ元　素。　３　分析与讨论　单晶高温合金的铸态组织是一种偏离平衡态的　组织。虽然消除了晶界，但仍存在枝晶显微偏析。　微观偏析是合金重要的凝固特征，对枝晶生长特性、　共晶、凝固析出相以及凝固缺陷（雀斑等）具有重要　的影响　。实验合金凝固过程中溶质发生再分配，　Ａｌ和Ｔａ偏析于枝晶间，Ｒｅ，Ｗ，Ｍｏ和Ｃ０偏析于枝　晶干，ｃｒ则接近于均匀分配。枝晶间富集的Ａｌ和　Ｔａ等＾ｙ　相形成元素，一方面使得枝晶间区域的　基　体过饱和度大，促使　相优先在晶间形核，且枝晶　问　相的长大驱动力大于枝晶干，促使枝晶间区域　的　相尺寸大、数量多；另一方面促使凝固最后阶　段形成＾ｙ／　共晶组织。　／　共晶熔点低，能够降低　合金的初熔温度，同时消耗大量的＾ｙ　相形成元素，　从而显著降低合金的使用温度和性能，因而应通过　热处理尽可能多的减少或完全消除　／　共晶。　单晶合金没有晶界，又被要求具有较宽的热处　理温度区间，Ｃ元素会降低合金的初熔温度，所以在　发展之初的商用单晶合金中完全去除了Ｃ元素　。　但近年来发现，Ｃ元素可以起到很多有益作　用　“　。因此，现今先进单晶高温合金往往含有少　量的Ｃ元素。实验合金含有少量的Ｃ元素，浇铸过　程中可以起到净化合金等作用，同时，枝晶间富集的　Ｔａ是强碳化物形成元素，所以枝晶间区域是碳化物　优先形核的位置，形成了富含Ｔａ的ＭＣ型碳化物。　这些碳化物可以有效地强化合金中的小角晶界，进　一步提高合金性能。块状或条状ＴａＣ是Ｎｉ基高温　合金浇注后快速冷却过程中形成的较稳定的ＭＣ型　碳化物¨　。经高温完全热处理后，碳化物的类型和　形貌均未发生变化。　热处理是提高合金性能的关键因素之一。　相　是单晶高温合金最主要的强化相，其数量、尺寸、形　貌和分布对合金性能都有重要的影响，热处理的最　终目的就是调整合金中＾ｙ　相的基本特征，进而使合　金达到最佳的综合性能。单晶高温合金的热处理主　要分为两个阶段，第一阶段是固溶处理，消除共晶，

　１４　航空材料学报　第３０卷　

图５　合金经１０９５％不同处理时间后枝晶干处的ＴＣＰ形貌　Ｆｉｇ．５　Ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ＴＣＰ　ｐｈａｓｅｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｄｅｎｄｒｉｔｅ　ｃｏｒｅ　ｏｆ　ａｌｌｏｙ　ａｆｌｅｒ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｅｘｐｏｓｕｒｅ　ａｔ　１０９５℃　ｆ０ｒ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｔｉｍｅ（ａ）５０ｈ；（ｂ）１００ｈ　实现合金元素（尤其是难熔元素）最大限度的均匀　化；第二阶段是时效处理，调整　相的数量、尺寸和　形状。随着单晶合金中难熔元素添加量的增加，一　步固溶处理很难完全消除共晶，这需要首先在低温　下进行一定时间的均匀化，提高合金的初熔温度，使　合金在更高固溶温度下消除共晶，同时适当延长热　处理时间，实现合金元素最大程度的均匀化　。实　验合金含有Ｒｅ，Ｗ，Ｔａ和Ｍｏ等难熔元素，采用了三　级固溶处理后，共晶基本被全部固溶到基体中，同　时，合金显微偏析也在很大程度上得以减轻。　实验合金在固溶处理的基础上进行了二级时效　处理，分别调整　相的尺寸、数量和形状。时效处　理过程中　相会沿固溶析出的细小　相继续析出　并长大，其形貌的变化主要取决于应变能和界面能　的共同作用，时效温度下＾ｙ和　相仍保持共格关　系，　相的形貌主要取决于应变能的作用，在几种形　态中，立方状具有最小的应变能　，应变能的降低　促使实验合金中　相长大并且呈规则的立方形状。　由于仍存在枝晶显微偏析，合金枝晶不同区域的　相的数量和尺寸仍有差别。枝晶于区域富集的难熔　元素扩散速率慢，降低了　相的长大速率。与之相　比，富集Ｔａ的枝晶间区域的　相数量多、尺寸大。　Ｍｕｒａｋｕｍｏ等人研究指出¨　，合金中＾ｙ　相的体积分　数接近６０％～７０％时，合金的蠕变性能最佳。实验　合金中的　相体积分数介于该范围内，由此确定该　合金可能具有优异高温蠕变性能。　随着对航空发动机用单晶高温合金使用温度和　综合性能要求的不断提高，研究者通过添加Ｒｅ以　及提高其他难熔元素的数量发展了第三代单晶高温　合金，Ｒｅ元素含量达到５％～６％（质量分数，下　同），难熔元素总量甚至超过了２０％［３，５　３。难熔元素　的添加，尤其是Ｒｅ元素，增强了固溶强化效果，显　著地提高了合金蠕变性能。与此同时，合金中也产　生了富含Ｒｅ，Ｗ，Ｍｏ和Ｃｒ的脆性有害ＴＣＰ相。难　熔元素在合金中即使经过高温固溶处理分布仍不均　匀，偏聚于枝晶干局部区域，易于促进ＴＣＰ相的析　出。ＴＣＰ相的析出程度是镍基单晶高温合金高温长　时间组织稳定性是的一项重要指标。ＴＣＰ相一方面　消耗了周围基体中的难熔元素，降低了固溶强化效　果；另一方面，作为脆性相，ＴＣＰ相可使运动位错受　阻于ＴＣＰ相前沿，易于形成位错塞积，引起应力集　中，最终形成微裂纹引起蠕变断裂¨　。实验合金含　有高Ｒｅ含量及难熔元素的总量，分别为５％和　１９．５％，达到了第三代单晶高温合金的成分水平。　即使经过三级固溶处理后，该合金中的Ｒｅ，Ｍｏ和ｗ　仍明显偏析于枝晶干区域，这促使合金经过高温长　期时效处理后在枝晶干区域析出富集Ｒｅ和ｗ的　ＴＣＰ相。该合金经１０９５ｏＣ／５０ｈ处理后析出极少量　的ＴＣＰ相。研究表明，少量ＴＣＰ相对性能无有害影　响　。但时间延至１００ｈ过程中，难熔元素进一步通　过扩散集聚，形成了一定数量的ＴＣＰ相，从而会降　低合金的蠕变性能。　４　结论　（１）合金铸态组织中枝晶间区域析出４％～５％　共晶和少量碳化物，其中，碳化物为富含Ｔａ的ＭＣ　型碳化物。　（２）经ｌ３００℃／２　ｈ＋１３１０℃／２　ｈ＋ｌ３２０℃／６　ｈ，　ＡＣ的三级固溶处理后，实验合金中共晶基本消除，　难熔元素Ｒｅ，ｗ，Ｔａ和Ｍｏ枝晶偏析明显改善，其中　Ｒｅ的偏析系数由铸态的０．４３变为０．７６。　（３）经１１４９℃／４　ｈ，ＡＣ＋８７１　ｃＩ＝／２４　ｈ，ＡＣ时效　热处理后，实验合金枝晶干和枝晶间处的　相为规　则立方状，体积分数和尺寸分别为６１％，０．３２　ｍ和　６８％

，Ｏ．４１　ｍ。