长期时效对燃气轮机叶片用镍基高温合金微观组织的影响

王磊

摘  要：燃气轮机功率的不断提高，其技术依据是提高透平初温，所以，在这个过程中，就相应地提高了对于叶片材料的承温能力要求。就以当前设备中的初温水平来看，透平动、静叶部分的材料大多为镍基高温合金，该材料的耐高温性较好。随着工艺水平的提高，进气温度也在升高，部分设备的进气温度甚至已经接近合金材料熔点的80%，这对材料的使用年限造成了一定的影响。如果对材料的使用年限没有准确的估计，则会影响设备运行的安全性。

关键词：镍基高温合金;长期时效;碳化物

燃气涡轮发动机运行工况特殊，所以也给材料的性能提出了较高的要求，其中镍基高温合金的应用比重很高。在高温环境下，镍基高温合金仍然可以发挥出较好的使用效果，比其他材料更适合在高温环境下长期工作，加之其具有较强的抗腐蚀性能，所以是一种非常重要的零部件，在冶金业界倍受关注。本文针对其长期时效下的微观组织影响情况进行了分析和总结。

1 镍基合金简介

镍基合金材料是一种有良好高温性能的合金材料，该材料的基體是镍，在近1000℃的环境下仍然可以保持良好的强度以及抗氧化能力。镍基合金的发展是以Cr20Ni80为基础的，为了增加材料的抗高温能力而在其中加入了大量的元素起到强化效果，如Mo、Ti、Co、Nb等等，和其他合金材料相比，镍基合金不仅仅在高温性能上存在优势，同时在抗氧化、腐蚀能力上也尤为出色。镍基合金以其优异的应用性能，在我国的航空领域、汽车制造行业得到了广泛应用。随着时代的发展和技术工艺的进步，人们对镍基合金的应用性能也提出了更高的要求，学界也在研究镍基合金的加工新工艺，如等温锻造和和挤压变形等等。

2 长期时效下镍基合金微观组织的影响

2.1 材料制备及实验方法

合金名义成分为0.1C，15Cr，lOCo，4W，2Mo，5Ta，4A1，微量B+Zr+Hf，余量为Ni，实验合金在真空定向结晶炉内经感应熔炼后浇注为定向柱晶试棒，经标准热处理后分别在电炉中经800℃、850℃、900℃长期时效处理，每个温度下时效时间设定为1000h、3000h、5000h。试样取定向铸晶试棒的横截面，经抛光、化学腐蚀后在JEM斟90型扫描电子显微镜（SEM）观察长期时效试样微观组织，用附带的能谱（EDS）仪对析出相进行成分分析。沉淀相尺寸、体积分数用定量分析软件在扫描图片上进行统计，强化相尺寸取颗粒边长或半径的平均值，并认为析出相的体积分数与面积分数相等。用TeenaiG2-20STwin型透射电镜（TEM）鉴别碳化物类型。

2.2 实验结果及分析

2.2.1 标准热处理态试样的组织。图1（a）显示实验合金标准热处理态试样γ'相为规则排列的立方形，平均边长250am，体积分数约48%。图1（b）选区衍射结果表明γ'与γ基体保持共格关系。另外，图1（C）显示合金中含有一定量的一次碳化物，碳化物分布不均，枝晶间数量较多，形态主要有块状、条状、枝状等。EDS和元素含量分别见图1（d）和表1。分析表明，该类碳化物为富含Ta、Ti、w元素的一次MC型碳化物。

2.2.2 γ'相粗化。图2为实验合金在长期时效过程中γ'相的演化。经800℃×5000h后，γ'相长大不明显，仅棱角有些熔解。850℃处理温度下随时效时间的延长，棱角逐渐熔解，颗粒缓慢长大，伴随小部分γ'颗粒筏化;900℃处理温度下随时效时间的延长，γ'相长大迅速，并有更多γ'筏化，一些γ'颗粒与邻近的颗粒连接在一起而呈长条状，但仍可观察到有许多颗粒保持四方形，具有一定立方度，反映了合金有一定的稳定性。另外，可以观察到随着γ'颗粒的长大，γ'颗粒间的间距增大。

2.2.3 γ'相体积分数变化

800℃和850℃时效时，随时效时间延长，γ'相体积分数略有增加，而在900℃时效时17相体积分数随时效温度的变化不大，即在900℃时效时，γ'相大颗粒的长大和小颗粒的溶解速度基本相当。随时效温度的升高和时间的延长，γ'相体积分数的变化很小，而γ'颗粒长大较快，因而必然使γ'颗粒数量减小，颗粒之间的间距增大。在长期热暴露或服役期间，高温合金组织的退化在很大程度上依赖于MC碳化物的稳定性。一次MC碳化物越稳定，越不易析出TCP相。反之，如果一次MC碳化物不稳定，则会在高温下析出其他类型的二次碳化物。

3 镍基高温合金的发展趋势展望

结合当前的应用方式和技术发展方向，镍基高温合金的发展趋势主要可以概括为三点，强度会进一步提高、抗热腐蚀性会加强，密度也会越来越小、自重会随之减轻。在材料强度方面，可以在合金材料中加入Al、Ti等等因素，可以让强化相的数量得到保证，加入W、Mo以及Re等等较难熔的金属元素也可以有效地提高材料整体强度。加入Ru元素是提高材料整体稳定性的重要手段，用于避免析出有害相。所以随着技术的进一步发展，材料强度会越来越高。单晶合金的应用会得到推广，抗热腐蚀性能更是单晶合金材料性质中的关键，所以为了提高热腐蚀抗性，可以添加难熔金属的时，保证Cr元素的含量。

4 总结

在前文中，可以看出镍基高温合金在高温合金当中的地位非常重要，现在也是燃气轮机叶片的主要制造材料，结合该材料的特点和用途，镍基合金还有待于进一步的发展。无论是飞行器发动机还是工业燃气轮机，在未来对材料的长期服务要求都会越来越严格，同时在其他性能参数，如抗疲劳能力、热膨胀系数和弹性模量行程。所以对于我国燃气轮机的生产和发展来说，研制有更高承温能力的材料意义重大。本文针对长期时效对燃气轮机叶片用镍基高温合金微观组织的影响进行了分析。

参考文献

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