晶体取向对一种单晶镍基合金高温蠕变性能的影响

付鑫涛，王文龙，王文成，宋晓明，谷 巍，洪红伦

(承德石油高等专科学校 a.机械工程系；b.工业技术中心，河北 承德 067000)



晶体取向对一种单晶镍基合金高温蠕变性能的影响

付鑫涛a，王文龙b，王文成a，宋晓明a，谷 巍a，洪红伦a

(承德石油高等专科学校 a.机械工程系；b.工业技术中心，河北 承德 067000)

研究了一种镍基单晶高温合金CM186LC在两个晶体取向下的高温蠕变性能。在不同的温度压力条件下，对[001]和[011]取向试样均进行拉伸蠕变试验，并用扫描电子显微镜观察各试样断口的微观结构特征。蠕变试验结果显示：在750 ℃/700 MPa和900 ℃/320 MPa的蠕变试验条件下，[001]晶体取向试样蠕变寿命高于[011]晶体取向试样，特别是在750 ℃/700 MPa的蠕变试验条件下，试样各向异性程度更高。利用扫描电子显微镜观察试样的断口和组织结构表明：在750 ℃/700 MPa试验条件下，[001]取向试样断裂特征为解理型断裂，[011]取向试样断裂特征为剪切断裂；在900 ℃/320 MPa试验条件下，两种取向试样断裂特征均为韧性断裂。由此可见，晶体取向对镍基单晶高温合金CM186LC的蠕变性能有显著地影响。

镍基单晶合金；蠕变试验；各向异性；断裂特征

镍基单晶高温合金因为其优异的高温性能，主要被应用于制造航空发动机叶片[1,2]。和普通多晶合金材料不同，单晶合金材料表现出了显著的各向异性。在工业应用中，叶片的主要受力方向为[001]取向，但是受航空发动机叶片复杂形状和工作环境的影响，在叶片局部会产生多个轴向应力和多个方向的热应力，为了充分发挥单晶合金的优异高温性能，研究人员对各种单晶合金材料的各向异性进行了大量的研究[1-3]。韩国明等人[4]的研究表明，DD499 单晶高温合金在高温条件下，蠕变持久寿命会按照[111]、[001]和[011]的次序降低。赵乃仁，王志辉[5]等人对一种无铼单晶高温合金的研究表明，温度对单晶高温合金材料各向异性的影响显著。研究对象为一种镍基单晶高温合金CM186LC，通过分析其不同取向下蠕变持久寿命和蠕变试验后试样断口断裂特征，对其各向异性行了研究和分析，为合金CM186LC的进一步研究和应用提供基础支持。

1 实验材料和方法

本实验所用材料为镍基单晶高温合金CM186LC，其化学成分(质量分数，%)为：0.070C、0.730Ti、6.000Cr、9.300Co、5.740Al、8.300W、3.400Ta、2.900Re 和 63.560Ni。[001]和[011]取向的单晶镍基合金试棒采用籽晶法制取，利用电子背散射衍射分析技术(EBSD)测定晶体取向，选取晶体取向偏离度<7°的合金试棒为试验材料。试棒材料首先进行1 274 ℃/8 h AC(空冷，air cooling)的固溶处理，以产生γ′固溶相，然后进行1 080 ℃/4 h+870 ℃/20 hAC的高温时效处理。将热处理后的试棒材料加工为蠕变试样，试样规格如图1所示。在750 ℃/700 MPa和 900 ℃/320 MPa试验条件下，对[001]和[011]取向试样均进行拉伸蠕变试验。蠕变试验结束后，用扫描电子显微镜观察样品断口的微观结构。

2 结果及讨论

2.1 不同取向合金热处理组织

不同取向的单晶高温合金CM186LC经过热处理后都形成立方体形状的 γ′相，如图2 所示。γ′相尺寸为0.45 μm，体积分数为 70%。

2.2 不同取向合金的蠕变持久性能

图3为不同取向CM186LC合金的蠕变曲线。由图3可知，两种试验条件下CM186LC合金试样均表现出了明显的蠕变三阶段特征。[001]取向试样与[001]取向试样相比，初始蠕变速率和稳态蠕变速率较低，蠕变寿命较长，显示了明显的各向异性。与高温低应力条件相比，中温高应力条件下CM186LC合金显示了更为明显的各向异性。以上结论与韩国明等人[3]对单晶高温合金DD499的研究结果一致。

2.3 不同取向合金的断裂特征

图4所示为不同温度、应力条件下试样端口的微观特征。750 ℃/700 MPa条件下[001]取向试样断口分布着许多方形小平面，这些方形平面与四周的斜平面相连(见图4a))，呈现解理型断裂特征。根据Sherry等人[6]对SRR99合金的研究，这些方形小平面位于<001>平面，斜平面位于<111>面上，随着蠕变的进行，变形主要集中于<111>面上，直至断裂。本研究中，750 ℃/700 MPa条件下[011]取向试样断口与拉伸轴成一定角度(见图4b)，[011]取向试样在试验中只有单一滑移系移动，并在滑移过程中断裂，经EBSD测定，[011]取向试样断裂面为<111>面。900 ℃/320 MPa条件下两种取向试样均明显存在大量孔洞(见图4c)和图4d))，单晶高温合金高温破坏首先产生微观小孔，小孔的逐渐增大、聚集、合并最终导致试样韧性断裂[7]。

3 结论

1)CM186LC合金表现出明显的各向异性行为。同高温低应力条件相比，各向异性特征在中温高应力的条件下更加明显。

2)高温低应力和中温高应力条件下，CM186LC合金[001]晶体取向蠕变持久寿命高于 [011] 晶体取向 。

3)750 ℃/700 MPa条件下CM186LC合金[001] 取向断裂方式为解理型断裂， [011] 取向断裂类型为单系滑移引起的剪切断裂；900 ℃/320 MPa条件下合金两种晶体取向均出现微孔聚集，导致韧性断裂。

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[3] B Wang, C Sun, J Gong, et al. Oxidation behavior of the alloy IC-6 and protective coatings[J]. Corrosion Science, 2004, 46(3)：519-528.

[4] 韩国明, 于金江, 孙晓峰, 等. 一种镍基单晶高温合金持久各向异性行为[J]. 稀有金属材料与工程，2011, 40(4):673-676.

[5] 赵乃仁, 王志辉, 李金国, 等. 一种镍基单晶高温合金的各向异性研究[J]. 材料工程, 2008(2): 58-61.

[6] AH Sherry, R Pilkington. The creep fracture of a single-crystal superalloy[J]. Mater Sci Eng A, 1993, 172(1-2): 51-61.

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Effect of Orientation on Creep Behavior of Nickel-Base SingleCrystal Superalloy at High Temperature

FU Xin-taoa, WANG Wen-longb, WANG Wen-chenga, SONG Xiao-minga,GU Weia, HONG Hong-luna

(a.Department of Mechanical Engineering; b.Industrial Technology Center, Chengde Petroleum College, Chengde 067000, Hebei, China)

Effect of orientation on the creep behavior of nickel-base single crystal superalloy CM186LC is studied in this paper. The crystal orientation has a significant influence on the creep behavior of nickel-base single crystal superalloy at high temperature. In the condition of 750 ℃/700 MPa and 900 ℃/320 MPa, [001] crystal orientation specimens showed higher creep life to that of the [011] specimens, but in the conditions of 750 ℃/700 MPa, anisotropy is more obvious. As a result of the fracture and structure of SEM, in the condition of 750°C/700MPa, the fracture mode of [001] orientation is the cleavage fracture, while the fracture mode of [011] orientation is pure shear. At high temperature, the fracture mode turns to be microvoid coalescence fracture.

nickel-base single crystal superalloy; creep test; anisotropy; fracture characteristic

2016-11-16

付鑫涛(1986-)，男，河北承德人，助教，硕士，主要从事高温合金材料的研究，E-mail：fuxintao@qq.com。

TG146

A

1008-9446(2017)03-0025-03