劉朋柱

摘 要：鎳基單晶高溫合金是一種應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的重要合金，鎳基單晶高溫合金能夠在航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片工作時(shí)的惡劣工況條件下獲得良好的使用性能。鎳基單晶高溫合金的性能與鎳基單晶高溫合金的凝固組織有著密切的聯(lián)系，為獲取更好的使用性能需要了解不同元素對(duì)鎳基單晶高溫合金鑄態(tài)組織的影響，并以此為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)出性能更好的鎳基單晶高溫合金用，以提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。

關(guān)鍵詞： 鎳基合金；鑄態(tài)組織；凝固過(guò)程

中圖分類(lèi)號(hào)：TG132 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

航空發(fā)動(dòng)機(jī)是一種高技術(shù)含量的工業(yè)產(chǎn)品，其是一個(gè)國(guó)家工業(yè)實(shí)力的重要體現(xiàn)。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)中渦輪葉片是其中極為重要的組成部分，渦輪葉片需要在高溫高壓下進(jìn)行運(yùn)作，加之高速旋轉(zhuǎn)中所受到的氣動(dòng)力和離心力的復(fù)合作用將使得渦輪葉片承受極為復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)工況。渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)所面臨的惡劣工況對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的材料提出了極高的要求，鎳基單晶高溫合金是一種輕質(zhì)量、高溫抗性、高抗拉伸強(qiáng)度、耐持久強(qiáng)度和蠕變強(qiáng)度的合金，將鎳基單晶高溫合金應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的生產(chǎn)中將能夠使得渦輪葉片獲得較為良好的性能。而鎳基單晶高溫合金所具有的這些良好特性取決于鎳基單晶高溫合金內(nèi)復(fù)雜的晶體組織。枝晶是鑄造合金葉片中最常見(jiàn)的凝固組織，其枝晶間距、晶粒粗細(xì)及縮松夾雜與合金的機(jī)械性能有著密切的聯(lián)系。為研發(fā)更高性能的鎳基單晶高溫合金需要積極做好鎳基單晶高溫合金研究，通過(guò)試驗(yàn)分析不同元素對(duì)鎳基單晶高溫合金凝固組織的影響。

1 鎳基單晶高溫合金中所含有的元素及對(duì)凝固組織的影響

鎳基單晶高溫合金金屬結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其內(nèi)部所含有的大量W、Mo、Ta等的難熔金屬元素能夠有效地提升鎳基單晶高溫合金的承溫性。而鎳基單晶高溫合金中難熔金屬含量的增加將使得鎳基單晶高溫合金的凝固組織長(zhǎng)期在高溫?zé)岜┞稐l件下易形成TCP相，而TCP相的形成將不利于鎳基單晶高溫合金力學(xué)性能的改善，甚至于還會(huì)產(chǎn)生較為嚴(yán)重的破壞導(dǎo)致鎳基單晶高溫合金的力學(xué)性能下降，無(wú)法承受渦輪葉片工作時(shí)所產(chǎn)生的復(fù)雜作用力。

為使得鎳基單晶高溫合金具有良好的性能，需要積極做好鎳基單晶高溫合金中各元素含量的分析，通過(guò)調(diào)節(jié)鎳基單晶高溫合金中各元素的含量以使得鎳基單晶高溫合金獲得良好的性能。由于鎳基單晶高溫合金中難熔金屬元素含量的增加將破壞凝固組織的力學(xué)性能，因此如提高鎳基單晶高溫合金的穩(wěn)定性，就要通過(guò)采取降低鎳基單晶合金組織中Cr的含量。

CMSX系列合金在不斷的研發(fā)優(yōu)化過(guò)程中其內(nèi)部的Cr元素的含量在不斷地降低。1代合金CMSX-2中Cr元素的含量占比為8%，而2代、3代CMSX系列合金中Cr元素的含量將下降至6.5%、2.3%。最近，在美國(guó)第4代航空發(fā)動(dòng)機(jī)中合金EPM102中，將其中Cr元素的含量降低至2%。通過(guò)這一事例表明，難熔金屬元素含量在提升鎳基單晶高溫合金組織穩(wěn)定性的同時(shí)也會(huì)對(duì)合金凝固組織的力學(xué)穩(wěn)定性產(chǎn)生一定的影響。鎳基單晶高溫合金中所含有的Cr除了具有強(qiáng)化作用外還能夠形成Cr2O3型氧化膜，使鎳基單晶高溫合金在抗氧化性和耐腐蝕性方面得到加強(qiáng)。 鎳基單晶高溫合金中Cr含量降低將會(huì)導(dǎo)致鎳基單晶高溫合金的抗氧化性和耐腐蝕性能有所下降。通過(guò)試驗(yàn)表明， 鎳基單晶高溫合金中Cr含量的增加將使得鎳基單晶高溫合金的固相線(xiàn)、液相線(xiàn)降低，固溶熱處理窗口變窄，而糊狀區(qū)寬度增加，γ′相含量和組織不穩(wěn)定性增加， 鎳基單晶高溫合金一次枝晶間距稍有減小，共晶含量增加，合金元素的枝晶偏析程度增加；合金枝晶干、枝晶間的γ′相尺寸減小，其均勻化和立方化程度稍有增加。而鎳基單晶高溫合金凝固時(shí)結(jié)晶形貌所受到的影響主要集中在“成分過(guò)冷”。據(jù)相關(guān)研究數(shù)據(jù)表明， 鎳基單晶高溫合金中的溶質(zhì)濃度、液相的溫度梯度和凝固速度是造成鎳基單晶高溫合金凝固結(jié)晶形貌產(chǎn)生“成分過(guò)冷”的主要因素。其中成分過(guò)冷的判別式為：

在上述公式中G代表的是鎳基單晶高溫合金液相中的溫度梯度，R代表的是合金凝固組織界面向前推進(jìn)的速度，m為合金液相線(xiàn)的斜率，K0為合金固液濃度分配系數(shù)，DL為液體中的擴(kuò)散系數(shù)，C0為合金溶液中的溶質(zhì)原始濃度。

鎳基單晶高溫合金中金屬元素含量的改變將直接影響到合金凝固組織形貌。以Al元素為例，鎳基單晶高溫合金中Al元素含量的增多將會(huì)增大上述公式中的G值，致使鎳基單晶高溫合金的溫度梯度增大，從而使得鎳基單晶高溫合金的成分過(guò)冷程度減小。鎳基單晶高溫合金凝固組織所產(chǎn)生的枝晶形貌也由原先的柱狀樹(shù)枝晶向胞狀樹(shù)枝晶方向轉(zhuǎn)變。Al元素含量的變化對(duì)鎳基單晶高溫合金凝固行為的影響需要繼續(xù)進(jìn)行研究深入，以便為后續(xù)的鎳基合金開(kāi)發(fā)以及熱處理工藝提供數(shù)據(jù)支撐。

鈦金屬是一種質(zhì)量輕、耐腐蝕性、耐高溫性都較好的金屬，鈦元素的化學(xué)活潑性較強(qiáng)，其能夠通過(guò)與鋁相結(jié)合以固溶體形式存在，存在于鋁中的鈦的固溶體一部分形成了TiAl3的化合物，TiAl3所具有的晶格形式與 Al的晶格相似，TiAl3的晶格為四面晶體結(jié)構(gòu)，它與面心立方晶格的α相之間有下述的晶面對(duì)應(yīng)：（001）Al∥（001）TiAl3，[001]Al∥[001]TiAl3，（211）Al∥（001）TiAl3，兩者的晶格常數(shù)也相近（Δr/r≈6%），且TiAl3具有更高的熔點(diǎn)，其能夠以較為穩(wěn)定的形式在基體中長(zhǎng)期存在。因此所形成的TiAl3能夠作為α相的結(jié)晶核心，從而細(xì)化晶粒。

試驗(yàn)表明在665℃下將發(fā)生L（液）+Ti3Al→α（Al） 的包晶反應(yīng)，而包晶反應(yīng)所形成接近平衡冷卻所測(cè)得的相圖則與實(shí)際反應(yīng)存在著一定的差異。在實(shí)際生產(chǎn)中包溫合金是在非平衡冷卻條件下所形成的，由于冷卻不均勻加之各部冷卻速度的差異致使TiAl3固溶結(jié)晶的成分也不均勻，容易產(chǎn)生晶內(nèi)偏析（枝晶偏析）。

由于各部冷卻不平衡致使包晶反應(yīng)擴(kuò)散困難，在TiAl3固溶結(jié)晶冷卻到一定的程度后包晶反應(yīng)甚至?xí)灰种疲Ｏ碌囊后w在持續(xù)冷卻下將直接析出固相。而這些未轉(zhuǎn)變的固相就被保留在后析出的固相之中。在這一包晶反應(yīng)過(guò)程中就造成了共晶相的基體上有先包晶的樹(shù)枝狀初晶，兩相依次形成。通過(guò)上述分析后可以發(fā)現(xiàn)存在于鎳基單晶高溫合金中的鈦元素將能夠使得鑄態(tài)晶粒得到明顯的細(xì)化。鎳基單晶高溫合金需要具有良好的力學(xué)性能和耐高溫、耐腐蝕特性，隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)推重比要求的提升，增加航空發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度是最直接也是最高效的方法之一，而這就對(duì)鎳基單晶高溫合金的研制提出了更高的要求。鎳基單晶高溫合金的性能受其內(nèi)所含有的金屬元素及形成工藝的影響，在研究高性能鎳基單晶高溫合金的過(guò)程中應(yīng)當(dāng)積極做好各種合金元素含量對(duì)合金組織和性能的影響研究，并加緊對(duì)于鎳基單晶高溫合金制備工藝的試驗(yàn)，用以形成良好的凝固組織，提高鎳基單晶高溫合金的各項(xiàng)性能。

結(jié)語(yǔ)

鎳基單晶高溫合金是現(xiàn)今應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的主要材料，應(yīng)當(dāng)積極做好鎳基單晶高溫合金的研究與開(kāi)發(fā)，以高性能的鎳基單晶高溫合金進(jìn)一步推動(dòng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展。本文在分析鎳基單晶高溫合金特點(diǎn)的基礎(chǔ)上對(duì)幾種元素對(duì)鎳基單晶高溫合金的性能影響進(jìn)行了分析介紹。

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