Re 含量对单晶高温合金组织和拉伸性能的影响

史振学，岳晓岱，王志成，赵金乾，刘世忠

（北京航空材料研究院先进高温结构材料重点实验室，北京100095）

镍基单晶高温合金性能优良，是航空发动机涡轮叶片的制备材料[1-3]。为了提高单晶涡轮叶片的承温能力，从第二代单晶高温合金起开始加入一定含量的Re 元素[4-5]。Re 的加入显著促进了单晶高温合金的发展和应用，Re 已经成为高性能单晶高温合金中最重要的合金元素，其作用机理受到了广泛关注。添加Re 可显著降低γ′相的粗化动力，增加γ /γ′的负错配度[6]。Re 以原子团的方式存在于γ 相中，与经典固溶方式相比，强化作用更大[7]。因而Re 可提高单晶高温合金的蠕变性能[8-9]、持久性能[10-12]。Re 能够增加合金的氧化膜稳定性，使等温氧化速率降低，合金抗氧化性能提高[13]。Re 在位错和晶界处富集，阻碍位错运动和晶界迁移，能够抑制再结晶[14-16]。然而，随着合金Re 含量增加，增加合金成本和密度，容易导致TCP 相的析出[17]，促进SRZ(Secondary Reaction Zone 二次反应区)的形成[18]，增加凝固过程中杂晶的形成倾向[19]。当前Re 资源稀少，各国都视其为战略元素。在不同的单晶高温合金体系中，Re 含量不同，且Re 含量对单晶合金拉伸性能的影响未见报道。为设计合金，综合利用Re 的强化效果，发展高性能的新一代单晶高温合金，本文研究了Re 含量对合金组织及其稳定性和拉伸性能的影响。

1 试样制备和实验方法

实验采用2 种合金材料的化学成分见表1，2 种合金的元素含量差别为Re 含量不同，分别为3% Re和5% Re。在单晶炉中定向凝固成[001]取向的单晶试棒。试棒的晶体取向用X 射线测试分析，选择晶体取向小于12°的单晶试棒进行后续试验。所有试棒按以下工艺进行标准热处理：1300℃/1 h+1310℃/2 h+1320℃/3 h+1330℃/4 h+1335℃/6 h，AC+1140℃/4 h，AC+870℃/24 h，AC。合金完全热处理后在980℃进行400、800、2000h长期时效热处理，分别在时效400、800、2000h取样观察合金组织。合金完全热处理后加工成拉伸性能试样，在1100℃测试合金的拉伸性能。合金的不同状态的显微组织采用光学显微镜与扫描电镜进行分析。枝晶间距通过单位面积法获得，共晶含量通过比面积法获得，采用JMatPro 计算软件进行相图分析。

2 实验结果与分析

2.1 铸态枝晶组织

图1 所示为不同Re 含量合金的枝晶组织形貌。由图1 可以看出，不同Re 含量合金在相同凝固条件下获得的凝固组织均为枝晶组织，由枝晶干、枝晶间及枝晶间的γ/γ′共晶组成。经单位面积法定量计算3% Re 和5%Re 合金的一次枝晶间距分别为297 μm（图1（a））和288 μm（图1（b）），共晶体积分数分别为10.5%和12.4%。可以得出结论，在相同铸造工艺条件下，合金的一次枝晶间距随合金中Re 含量升高而稍有减小，共晶的体积分数升高。

单晶高温合金在定向枝晶凝固过程中，溶质在固相与液相之间进行重新分配，使合金的枝晶干和枝晶间区域具有明显不同元素含量。Re、W、Mo 等基体相γ 的形成元素多分布于合金的枝晶干区域，而Al、Ta、Hf 等析出相γ′的形成合金元素多分布于枝晶间区域。当合金枝晶间区域的液相化学成分具备共晶相形成条件时，形成共晶相。Re 为高熔点合金元素，强烈偏析于合金枝晶干。随着Re 含量增加，使合金凝固时枝晶干凝固了更多的Re、W、Mo 等元素，较少的Al、Ta 等元素，从而导致合金枝晶间留下了更多体积分数的共晶相。同时，Re 元素具有较低的扩散系数[20]，并能降低其他元素的扩散速率[9]，增加了凝固过程中固相溶质扩散的不足程度，增大了成分过冷，扩大了糊状区温度区间，增加了合金枝晶间液相体积分数，导致最后凝固后枝晶间共晶相的体积分数增加。

2.2 热处理组织

3%Re 和5%Re 合金的完全热处理组织见图2。由图2 可以看出，2 种合金都获得立方化较好的γ′相组织，随着Re 含量的增加，γ′相尺寸减小，立方化程度增加。

Re 为γ 相形成元素，由于Re 含量增加，Re 在基体中的含量增加。同上所述，Re 元素自身具有较低的扩散系数[20]，并能降低其他元素的扩散速率[9]，热处理过程中Re 能够有效抑制γ′相的长大，因而获得的γ′相尺寸较小。

合金的两相界面能和晶格错配应变能等因素决定了析出相γ′的形貌[17]。界面结构以及两相界面面积决定了界面能的大小。两相晶格错配应变能与沉淀相的体积分数和晶格错配度有关。两相晶格错配度具有较小的绝对值时，界面能占较大部分，由晶格错配导致的弹性应变能占较小部分。相同体积下，球的表面积最小，γ′相呈球形分布。两相晶格错配度具有较大的绝对值时，界面能占较小部分，晶格错配应变能占较大部分。由于单晶合金为各向异性材料，弹性模量沿[001]取向时具有最低值，所以γ′相形核后沿不同的[001]方向长大，形成立方化形貌。合金的晶格错配度的绝对值越大，晶格错配应变能也越大，合金的γ′相立方化越好。Re 原子尺寸较大，Re 含量增多使合金的错配度更负，因而γ′相的立方化程度增加。

2.3 长期时效组织

图3 所示为不同Re 含量合金980℃长期时效组织。由图3 可以看出，时效400、800h后，2 种合金的γ′相尺寸增加，仍保持立方状形貌，γ 基体通道宽度增加，无TCP 相析出。时效2000h后，大部分γ′相仍保持立方状形貌，少部分γ′相发生筏排化；2 种合金都析出少量针状TCP 相，随着Re 含量增加，TCP 相析出量显著增加。用扫描电镜中的能谱分析了TCP 相的化学成分，分析结果见表2。由表2 可以看出，TCP 相中富含Re、W 等元素。

在长时间高温状态下，单晶高温合金的γ′相发生长大粗化，甚至筏排化特征，这一过程同样受界面能和弹性应变能等因素的影响[17]，一般认为错配度越大，γ′相越容易出现筏排化[21]，但由于2 种合金都含有Re，其较低的扩散系数和阻碍其他原子扩散的特性，整体上使含Re 合金与文献[22]不含Re 合金相比具有较小的筏排化倾向。

高温合金析出TCP 相主要原因为γ 相中Re、W、Mo 等元素过饱和引起的[23]。Re 元素强烈偏析于γ相中，使5% Re 合金γ 相中TCP 相形成元素过饱和较大。另一方面，Re 的低扩散特征使γ′相形成元素由γ 向γ′相扩散速率下降，同样也使γ 相形成元素等由γ 相向γ′相的扩散速率降低。因此造成了含5%Re 合金中γ 相中高熔点增多，使γ 相的过饱和度较大。这两个原因导致高Re 合金的组织稳定性变差。采用JMatPro 软件计算了980℃下合金中各个相含量与Re 含量的关系，如图4 所示。计算结果表明，随着Re含量升高，γ′相含量增加，γ 相含量降低，TCP 相含量增加。这与试验结果一致。

表2 不同Re 含量合金长期时效后析出TCP 相的化学成分Table 2 Chemical composition of TCP phase in the alloy with different Re content单位：质量分数，%

2.4 拉伸性能

不同Re 含量合金1100℃的拉伸性能见表3，每个数据取值于3 个试样的平均值。由表3 可以看出，随着Re 含量增加，合金的屈服强度和抗拉强度显著增加，而延伸率和断面收缩率明显减小。2 种合金1100℃的应力-应变曲线如图5 所示。由图5 看出，2 种合金曲线变化特征基本相同，合金屈服后，随着拉伸变形进行，流变应力逐渐增高，当达到抗拉强度点后，应力缓慢下降直至断裂。图6 为两种合金的拉伸断口形貌。由图6 看出，2 种合金的拉伸断口形貌基本相同，断口有明显的缩颈特征，断口上分布大量的方形韧窝，断裂机制都为韧窝断裂。

表3 3%Re 合金和5%Re 合金1100℃的拉伸性能Table 3 The tensile properties of 3%Re alloy and 5%Re alloy at 1100℃

单晶高温合金由基体γ 相和γ′沉淀析出相组成，合金的显微组织影响其拉伸性能。Re 提高合金的拉伸性能主要原因如下。

首先，Re 对基体相的强化作用。Re 元素具有较大的原子半径[10]，具有较强的固溶强化作用，因而能够显著提高基体γ 相的强度。Re 阻碍其他固溶元素从基体相向强化相扩散，从而加大对基体强化作用。Re 在γ 基体中以原子团簇形式存在，可有效阻碍位错运动，比传统固溶方式具有更强的强化效果[7]。Re主要分布于γ 基体相中，使γ 相的堆垛层错能减小，导致γ 相容易发生扩展位错反应，使后来的位错更加不容易运动，因而能够使γ 相得到强化[24]。

其次，Re 不仅强化基体，还强化γ′相。相图计算表明，Re 含量增加提高了强化相的含量。试验表明，Re 增加了强化相立方化程度。Re 增加了γ′相的反相畴界能，使位错切割γ′相所需的能量增加，不易切割[25]。Re的低扩散系数和阻碍其他原子扩散的特性，能够阻碍γ′相长大合并。

最后，Re 能够强化γ/γ′两相界面。高体积分数γ′相的单晶合金的变形行为主要由两相界面的特征决定。Re 增加了合金的错配度，能够在高温变形过程中在两相界面的位错网更加密集，使位错更加不容易切入γ′相，因此位错网的密度越大，合金就越难变形，其拉伸强度越大[24]。

综合以上原因，增加Re 含量，合金的拉伸性能显著提高。

通过上述研究可知，随着单晶高温合金的发展，Re 含量增加成为必然趋势，但其组织稳定性也会降低，需要进一步的解决措施，比如加入Ru 元素。

3 结 论

1）随着合金中Re 含量增加，一次枝晶间距轻微降低，共晶体积分数升高，γ′相的尺寸下降，立方化程度增加。

2）不同Re 含量合金时效800h后无TCP 相析出，时效2000h后有TCP 相析出，随着Re 含量增加，TCP 相析出量增加。合金组织稳定性随着Re 含量增加而降低。

3）随着Re 含量增加，合金的高温拉伸性能显著提高。