钴,钨和钛对镍基单晶高温合金铸态组织的影响.pdf

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1、钴，钨和钛对镍基单晶高温合金铸态组织的影响阳大云，金涛，赵乃仁，王志辉，孙晓峰，管恒荣，胡壮麒（中国科学院金属研究所，辽宁沈阳110016）摘要：采用正交实验方法研究了Co，W和Ti对镍基单晶高温合金铸态组织的影响。结果表明，Ti元素偏析于枝晶间并扩大了合金的凝固温度范围，从而显著影响铸态合金中的共晶数量，随着Ti含量的增加，合金中的共晶数量大幅度增加。Co使合金的初熔温度略有降低。在具有大量共晶的高W合金的铸态组织中出现了富W相。关键词：高温合金；单晶；凝固组织；溶质偏析；化学成分中图分类号：TG132.3文献标识码：A文章编号：1005-5053（200

2、3）S0-0017-04镍基单晶高温合金由于消除了晶界，且在择表1合金中Co，W和Ti的含量（wt%）优生长的〈001〉方向上同时具有优异的蠕变强度Table1ContentsofCo，WandTiinalloys（wt%）和热疲劳性能，因此在制造航空发动机涡轮叶片Elements1#2#3#4#5#6#7#8#9#上得到了广泛的应用［1～3］。单晶高温合金的铸态Co000555101010组织是决定其使用性能的最重要因素之一［4］，而合金的铸态组织又与其化学成分密切相关。Co，W681068106810W和Ti是镍基高温合金中的重要组成元素，关于Ti012

3、120201它们对合金热处理后的组织及性能的影响已做了不少工作［5～8］，但其对合金铸态组织的影响缺乏通过金相法测定合金的初熔温度。溶质元素的偏系统研究。本研究使用正交实验方法，系统研究析研究及物相化学成分定量分析在CAMECAMI-了Co，W和Ti对镍基单晶高温合金铸态组织的CRO电子探针仪上进行。影响。1实验方法2实验结果与讨论采用三因素三水平正交实验方法配制九种成2.1合金的铸态显微组织分的合金（1#～9#），所有合金同时还含有相同的经分析与单晶生长方向相垂直及相平行的截Cr，Mo，Ta和Al含量（wt%），其余为Ni。合金中面上合金的铸态组织，发现横

4、截面上的枝晶呈Co，W和Ti的含量示于表1。在真空感应炉内精“十”字型花瓣状，一次枝晶均匀分布，二次枝晶干炼母合金铸锭。通过螺旋选晶法在ZGG-0.002型互相平行；纵截面上是互相平行排列的一次枝晶真空定向凝固炉内制备具有〈001〉取向的单晶试干。合金铸态组织不仅含有大量的γ相和沉淀析棒，其尺寸为φ16mm×90mm。抽拉速率为4.5mm/出的γ'强化相，还有γ/γ'共晶块析出于枝晶间。图1为不含Ti的8#合金，含1%Ti的4#合金以min，凝固时液-固界面前沿液相中温度梯度约为及含2%Ti的5#合金的横向及纵向铸态显微组90℃/cm。在LEICA光学金相显

5、微镜上对铸态组织进织，它们的共晶含量相差很大。各合金中的共晶行观察。采用剪纸称重法测定合金中共晶含量，含量如图2所示。由于正交设计具有综合可比性，可采用正交设计实验结果的分析方法［9］确定收稿日期：2003-06-15合金元素对共晶数量的影响规律。经计算各因素作者简介：阳大云（1970-），男，博士研究生。不同水平间的极差值发现，Co元素所对应的极差18航空材料学报第23卷图18#，4#和5#合金的横向及纵向铸态组织Fig.1Transverseandlongitudinalas-castmicrostructuresofalloy8，4and5（a），（b

6、），（c）transverseas-castmicrostructuresofalloy8，4and5，respectively；（d），（e），（f）longitudinalas-castmicrostructuresofalloy8，4and5，respectively合金中Co，W和Ti元素的线分布进行微区元素定量分析。图3为3#，4#，5#及9#合金中Co，W和Ti在枝晶间及枝晶干的分布情况。在共晶区内Co，W含量远低于它们在合金中的平均含量，在共晶区的边缘浓度迅速增加，在枝晶干处的浓度高于它们在合金中的平均含量。Co和W富集于枝晶干，为反偏析元素。

7、与此相反，Ti元素强烈富集于枝晶间，为正偏析元素。如上所述，Ti含量对铸态合金中的共晶数量有很大影响，而在一定的定向凝固工艺条件下，共图2合金中的共晶数量晶数量取决于凝固过程中的糊状区宽度。合金凝Fig.2Amountoftheeutecticinallalloys固温度范围是影响糊状区宽度的重要因素。合金凝固温度范围ΔT可表示为［10］：0值为10.1%，W为17.5%，而Ti元素所对应的极ΔT0=mlc（01-k0）/k0差值最大，达到了28.4%，可见Ti含量对合金中式中：ml-液相线斜率，c0-溶质浓度，k0-溶质共晶数量影响最大。由图2知，无Ti合

8、金的共晶分配系数。量很少，随着Ti含量的增加，合金中