镍基单晶高温合金研究进展

2.1 镍基单晶高温合金的应用背景 ..................................................................... 4 2.2 单晶高温合金的发展历程 ............................................................................. 5 3 镍基单晶高温合金的成分设计及相组成 ............................................................... 7 3.1 镍基单晶高温合金成分发展的主要特点 ..................................................... 7 3.2 镍基单晶高温合金主要强化元素的作用 ................................................... 10 3.3 镍基单晶高温合金的相组成 ....................................................................... 13
由于 Re 和 Ru 元素储量稀缺和价格昂贵，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。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。2008 年，GE 公司在 ReneN5 合金的基础上研制了 ReneN515(含 1.5%Re， 质量分数)和 ReneN500(无 Re)合金，并对 ReneN515 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。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[1]。近年来，国内已经研制 出 Re 含量低于国外第三代单晶高温合金，但具有优良的综合性能，拉伸性能与持久 性能等达到了国外第三代水平的单晶高温合金[2]。
-2-
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。镍基单晶高温合金具有优异的蠕变、 疲劳、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。高温合金研究的不断深入，不仅推动了航空/航来自百度文库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。
燃气涡轮发动机为飞机提供飞行的动力，飞行速度的提升取决于发动机效率的 高低，根据热机循环原理，提高发动机的效率需要提高涡轮的进气口温度，因此， 从 1940 年发明第一台发动机到 2000 年的 60 年间，涡轮进气口温度从最初的~1000K 提高到~1700K，这期间发动机叶片的制造经历了从锻造、传统铸造、定向凝固铸造、 单晶铸造的发展历程，并通过气冷、涂层等方法进一步提高叶片的工作温度，铸造 叶片比锻造叶片具有较好的蠕变性能，在铸造技术的改进中，定向凝固叶片去除了 横向晶界，提高了疲劳寿命，进一步，单晶铸造叶片完全消除了晶界，由于不含晶 界，所以合金中去除了晶界强化元素，如 C、B，由于这些元素的去除，减少了铸造 过程中合金的微观偏析及共晶的含量，同时避免了热处理中处熔问题，使合金更易 进行热处理。
-4-
2.2 单晶高温合金的发展历程
单晶高温合金是先进航空发动机的关键材料，多年来各国十分重视镍基单晶合 金的研制和开发，采用镍基单晶高温合金制造涡轮叶片已成为当前先进航空发动机 的标志之一。F119、GE90、EJ200、M88-2、P2000 等先进航空发动机无一例外地选 用了单晶合金作为叶片材料。与多晶高温合金相比,单晶合金的主要优势在于：1）高 的初熔温度容许合金进行充分的固溶处理，从而获得高的蠕变强度；2）没有易成为 裂纹起始位置的晶界；3）由于<001>晶体取向的低弹性模量而具有高的热疲劳抗力。 单晶高温合金也将是今后相当长时期内先进航空发动机的关键材料，20 世纪 70 年代 以来，国际上对其他高温材料也一直在进行研究，如：定向共晶合金、难熔金属基 合金、金属间化合物基合金、陶瓷材料。但目前都因某些关键问题未获解决还不能 顺利付诸实际应用。迄今还没有一类材料能像镍基单晶高温合金这样具有良好的综 合性能。在今后相当长时期内，单晶合金仍将是航空发动机的关键材料。图 1 是镍 基高温合金发展的基本趋势。
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 20 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，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。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。
针对不同的应用温度范围及材料的性价比，已有多种高温合金材料被研制并得 到广泛应用，Ni 基高温合金适用于可以提供卓越的抗高温（800℃以上）蠕变、疲劳 性能，Ti 基高温合金具有密度低的优势，但抗氧化能力差，主要应用于 700℃的工作 环境，高强度、抗蠕变的铁素体刚则具有低廉的价格，广泛应用于高温蒸汽（565℃） 发电装置，而碳化硅等陶瓷材料由于韧性及延展性较差，一般不能应用于以上工作 环境。
图 1 镍基高温合金发展的基本趋势 Fig.1 Basic tendency of development of nickel based high temperature alloy
20 世纪 60 年代，美国普惠公司的 VerSnyder 等人发现,普通铸造高温合金中和应 力轴垂直的晶界是高温变形时裂纹起始的主要场所。若使晶界平行于应力主轴方向 定向排列，高温变形时作用在晶界上的应力会最小，从而延缓裂纹形核而提高蠕变
镍基单晶高温合金的研究进展
-1-
目录
1 引言 ........................................................................................................................... 3 2 镍基单晶高温合金的背景及意义 ........................................................................... 4
3.3.1 γ 基体 ................................................................................................... 13 3.3.2 γ′相 ....................................................................................................... 13 3.3.3 碳化物相 .............................................................................................. 13 3.3.4 TCP 相.................................................................................................. 14 4 镍基单晶高温合金的性能研究现状 ..................................................................... 15 4.1 镍基单晶高温合金的强化机理 .................................................................... 15 4.2 镍基单晶高温合金性能的各向异性 ............................................................ 16 4.3 镍基单晶高温合金的 γ′相定向粗化行为及高温蠕变性能 ........................ 17 4.3.1 镍基单晶高温合金 γ′相定向粗化行为 ............................................. 17 4.3.2 镍基单晶高温合金的蠕变性能 ......................................................... 18 5 镍基单晶高温合金的制备技术 ............................................................................. 21 5.1 镍基单晶高温合金的凝固 ............................................................................ 21 5.1.1 枝晶竞争生长 ..................................................................................... 21 5.1.2 螺旋选晶过程 ..................................................................................... 22 5.1.3 定向凝固缺陷 ..................................................................................... 23 5.2 镍基单晶高温合金的制备技术 ................................................................... 25 6 评述与展望 ............................................................................................................. 26
本文从镍基单晶高温背景及意义，合金成分与相组成、性能研究、制备方法等 方面，简要介绍了镍基单晶高温合金的主要研究进展。
-3-
2 镍基单晶高温合金的背景及意义
2.1 镍基单晶高温合金的应用背景
高温合金材料具有在较高温度下保持材料性能的能力，其应用范围非常广泛， 如飞机发动机的叶片等。高温合金材料具有一些共同的特点，首先，高温合金材料 具有在接近熔点工作温度下承受一定载荷的能力，工作温度与熔点之比（K 为单位） 一般大于 0.6；其次，高温合金材料在一定的时间内可以保持材料稳定的力学性能， 在高温条件下，蠕变现象非常普遍，蠕变是高温条件下的非弹性、不可逆的形变过 程，因此要求高温合金材料具有较低的蠕变率；另外，与一般结构材料相似，要求 高温合金材料具有较高的屈服强度、断裂强度及抗腐蚀、氧化的能力。