镍基单晶高温合金研究进展 - 图文

镍基单晶高温合金研究进展

孙晓峰，金涛，周亦胄，胡壮麒

（中国科学院金属研究所，沈阳 110016）

摘 要：单晶高温合金具有较高的高温强度、良好的抗氧化和抗热腐蚀性能、优异的蠕变与疲劳抗力、良好的组织稳定性和使用可靠性，广泛应用于涡轮发动机等先进动力推进系统涡轮叶片等部件。由于采用定向凝固工艺消除了晶界，单晶高温合金明显减少了降低熔点的晶界强化元素，使合金的初熔温度提高，能够在较高温度范围进行固溶和时效处理，其高温强度比等轴晶和定向柱晶高温合金大幅度提高。经过几十年的发展，单晶高温合金已经在合金设计方法、组织结构与力学性能关系、纯净化冶炼工艺和定向凝固工艺等方面取得了重要进展。本文从单晶高温合金成分特点、合金元素作用、强化机理、力学性能各向异性、凝固过程及缺陷控制、单晶制备工艺等方面，简要介绍了单晶高温合金的主要研究进展。

关键词：单晶高温合金；强化机理；定向凝固；各向异性

Research Progress of Nickel-base Single Crystal Superalloys

Sun Xiaofeng, Jin Tao, Zhou Yizhou, Hu Zhuangqi

(Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China)

Abstract: Single crystal superalloys have been widely used to make turbine blades and guide vanes for aero-engines and industrial gas turbines because of improved strength, creep-rupture, fatigue, oxidation and hot corrosion properties as well as stable microstructure and reliability at high temperature environments. After removal of grain boundary by using directional solidification technique, grain boundary elements which decrease the incipient melting temperature were reduced remarkably in single crystal superalloys. Consequently, the solution and aging treatment of single crystal superalloys can be done at higher temperature due to the enhanced incipient melting temperature, and then the high temperature strength of single crystal superalloys is higher than that of equiaxed and directionally solidified superalloys. There were great progress on approach of alloy design, relationship between structure and mechanical performances, process of pure smelting and processing of directional solidification in the last decades. The present work reviews these progress from compositions of alloys, role of elements, mechanism of strengthening, anisotropy of mechanical properties, procedure of solidification, control of defects and processing of single crystal superalloys.

Key words：single crystal superalloy；mechanism of strengthening；directional solidification；anisotropy of properties

—————————————————— 基金项目：国家973计划项目（2010CB631206） 通讯作者：孙晓峰，男，1964年生，研究员，博士生导师

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1引言

高温合金（Superalloy）是以铁、镍、钴为基体的一类高温结构材料，可以在600℃以上高温环境服役，并能承受苛刻的机械应力。高温合金具有高的室温和高温强度、良好的抗氧化和抗热腐蚀性能、优异的蠕变与疲劳抗力、良好的组织稳定性和使用可靠性，广泛应用于涡轮发动机等先进动力推进系统热端部件。高温合金研究的不断深入，不仅推动了航空/航天发动机等国防尖端技术的进步，而且促进了交通运输、能源动力、石油化工、核工业等国民经济相关产业的技术发展。

单晶高温合金消除了晶界，明显减少了降低熔点的晶界强化元素，使合金的初熔温度提高，能够在较高温度范围进行固溶处理，其强度比等轴晶和定向柱晶高温合金大幅度提高，因而得到了广泛应用。自二十世纪80年代开始，PWA1480、CMSX-2、CMSX-3、SRR99等第一代单晶高温合金出现以来，单晶高温合金的研究取得了突破性进展。随着合金设计理论水平的提高和铸造工艺技术的进步，以及Re元素的添加，相继出现了以PWA1484、CMSX-4、RenéN5等为代表，耐温能力比第一代单晶高温合金高约30℃的第二代单晶高温合金[1-3]，和以CMSX-10、RenéN6等为代表，耐温能力比第一代高约60℃的第三代单晶高温合金[4-6]。近年来，通过添加Ru、Pt、Ir等元素，又发展出以MC-NG、TMS-138、TMS-162等为代表的第四代和第五代单晶高温合金[7-9]。

由于Re和Ru元素稀缺的储量和昂贵的价格，使得先进单晶合金的成本成倍地增加，制约了这些合金的推广应用。单晶高温合金当前的发展重点之一是研发低成本合金。通过优化合金成分，降低Re和Ru的含量，在保证性能的前提下，尽可能降低合金成本。法国ONERA发展的无Re合金MC2已经达到了第二代单晶高温合金的性能水平[10]。近来，美国的GE、C-M公司以及NASA在发展低成本合金方面也取得了重要进展[11,12]。2008年，GE公司在Rene N5合金的基础上研制了Rene N515（含1.5wt%Re）和Rene N500（无Re）合金，并对Rene N515合金在一些航空发动机上进行了测试，计划将其应用到GEnx等发动机上[13]。我国发展了DD98系列无Re高性能合金，其高温力学性能基本达到了第二代单晶高温合金性能水平[14]。

本文从单晶高温合金元素作用、强化机理、制备方法、缺陷控制等方面，简要介绍了单晶高温合金的主要研究进展。

2 单晶高温合金的成分特点及强化元素作用

2.1单晶高温合金成分发展的主要特点

镍基铸造高温合金的发展经历了等轴晶、定向柱晶、单晶等几个阶段（如图1所示[9]），其承温能力不断提高。单晶高温合金经历了从第一代的无Re合金到第二代的含3%Re合金，再发展至第三代含6%Re的合金，以及在高Re基础上加入Ru、Ir等元素的第四代和第五代合金。表1给出了国内外典型单晶高温合金的主要元素成分[7,15,16]，可以看出单晶高温合金的成分发展有以下主要特点[15]：

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图1高温合金承温能力的发展过程[9]

Fig. 1 History of improvement in temperature capability of Ni-base superalloys.

晶界强化元素从完全去除转为限量使用 C、B、Hf等元素历来被看作是晶界强化元素，而且易于降低合金的初熔温度。而单晶合金没有晶界，在最初发展的PWA1480、CMSX-2等商用单晶合金中不含有这些元素，但近年来发展的单晶高温合金中又重新引入了这些元素。

难熔金属加入总量增加 为了提高单晶高温合金的高温持久强度，W、Mo、Ta和Re等难熔元素的加入量不断增加。以CMSX系列单晶合金为例，第一代为14.6wt.%，第二代为16.4wt.%，而第三代达到20.7wt.%。

Cr含量降低 在第三代单晶合金中，Cr含量降至5wt.%以下，尤其是CMSX-10合金的Cr含量只有3wt.%左右。在第四代单晶合金MC-NG中，Cr含量也降到4wt.%。

稀土元素的应用 在一些第二代和第三代单晶合金中，加入了Y、La和Ce等稀土元素，以改善单晶合金的抗氧化性能。

Ru元素的引入 在发展第二代和第三代单晶合金时，已开始尝试加入元素Ru，美国的GE公司和法国的ONERA首先进行了该元素的合金化实验，并在此基础上研制出第四代单晶合金。

表1典型单晶高温合金的成分?7,15,16?

Table 1 Nominal compositions of representative single crystal superalloys

Generation 1st PWA1480 René N4 SRR99 RR2000 AM1 AM3 Cr 10 9 8 10 8 8 Co 5 8 5 15 6 6 Mo — 2 — 3 2 2 W 4 6 10 — 6 5 Ta 12 4 3 — 9 4 Element Re — — — — — — Hf — — — — — — Al 5 3.7 5.5 5.5 5.2 6 Ti 1.5 4.2 2.2 4 1.2 2 Ni Bal Bal Bal Bal Bal Bal other 0.5Nb 1 V 3 2nd 3rd 4th 5th

CMSX-2 CMSX-3 CMSX-6 SC-16 AF-56 СИК7 DD403 DD408 PWA1484 René N5 CMSX-4 SC180 ЖC32 ЖC36 René N6 CMSX-10 TMS-138 MC-NG TMS-162 TMS-196 8 8 10 16 12 14.8 9.5 16 5 7 6.5 5 5 4.2 4.2 3.3 3.2 4 3.0 4.6 5 5 5 — 8 8.8 5 8.5 10 8 9 10 9 8.7 12 2.2 5.8 — 5.8 5.6 0.6 0.6 3 2.8 2 0.4 3.8 — 2 2 0.6 2 1.1 1 1.4 0.4 2.8 4 3.9 2.4 8 8 — — 4 6.9 5.2 6 6 5 6 5 8.5 12 6 5.6 5.9 5 5.8 5.0 6 6 2 3.5 5 — — — 9 7 6.5 8.5 4 — 7.2 8.4 5.6 6 5.6 5.6 — — — — — — — — 3 3 3 3 4 2 5.4 6.4 5.0 3 4.9 6.4 — 0.1 0.1 — — — — — 0.1 0.2 0.1 0.1 — — 0.15 0.04 0.1 0.1 0.1 0.1 5.6 5.6 4.8 3.5 3.4 4.1 5.9 3.9 5.6 6.2 5.6 5.2 6 6 5.75 5.74 5.9 5.8 5.8 5.6 1 1 4.7 3.5 4 3.9 2.1 3.8 — — 1 1 1.5 1.2 — 0.2 — — — — Bal Bal Bal Bal Bal Bal Bal Bal Bal Bal Bal Bal Bal Bal Bal Bal Bal Bal Bal Bal 0.08C 0.01B 0.02Ce 0.05C 0.004B 0.01Y 0.15C 1.6Nb 0.015B 1Nb,RE 0.05C 0.004B 0.01Ｙ 0.1Nb 2.0Ru 4Ru 6.0Ru 5.0Ru 2.2 单晶高温合金主要强化元素的作用

镍基高温合金通常含有Cr、Co、W、Mo、Re、Al、Ti、Nb、Ta、Hf、C、B、Zr和Y等十余种合金元素。这些元素在合金中起着不同的作用，如固溶强化、第二相强化和晶界强化等。

Al、Ti、Ta和Nb 这些元素是??相形成元素，决定着合金中强化相的数量。Al是最主要的??相形成元素，且在高温下能形成保护性的氧化膜，提高合金的抗氧化性能。Ti可以改善合金的抗热腐蚀性能，但对合金的抗氧化性能和铸造性能不利，而且Ti含量的增加使共晶难以溶解，增加固溶处理的难度。因此，第三代和第四代单晶高温合金中都将Ti含量控制得很低。Ta偏聚于??相，能提高??相的固溶温度和强度，同时有效地改善合金的抗氧化和抗热腐蚀性能。Nb提高??相的热稳定性，延缓γ?相的聚集长大过程，但对合金的抗氧化和抗热腐蚀性能不利。

Cr 镍基高温合金中Cr主要以固溶态存在于基体中，少量生成碳化物，其主要的作用是增加抗氧化和抗热腐蚀能力。由于单晶高温合金中加入了大量的W、Mo、Nb、Ti、Al和Ta等强化元素，Cr含量过高会降低合金的组织稳定性[17]，造成有害相析出而严重损害合金的强度及塑性。目前，先进单晶高温合金中Cr含量通常控制在5wt.%以下。

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