D0I:10.13374/1.issm100103.2008.12.0B 第30卷第12期 北京科技大学学报 Vol.30 No.12 2008年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dee.2008 高Ru和高Cr对镍基高温合金组织稳定性的影响 石立鹏王万波冯强王艳丽陈国良 北京科技大学新金属材料国家重点实验室，北京100083 摘要在多组元的镍基高温合金中分别和同时加入高Cr和高Ru,经固溶处理后，在800~1100℃下进行10~1300h时效 处理，观察组织并分析Ru,Cr以及二者交互作用对合金组织稳定性的影响·结果表明：在无Cr和Ru的合金中，经过10O0℃/ 1300h时效处理后无TCP相析出：加入高Cr的合金仅20h就在晶界发现了TCP相，50h后在枝晶干出现TCP相：在1000℃ 时效，TCP相比其他温度更易析出.在同时加Cr和Ru的合金中，经过10O0℃/10O0h时效后并未发现TCP相的析出，这说 明高含量的Cr促进了TCP相的形成，而高Ru的添加在高Cr合金中也能有效地抑制TCP相的析出，提高组织稳定性· 关键词镍基高温合金：钉：铬：组织稳定性 分类号TG146.1+5:TG132.3+2 Effects of high Ru and high Cr on the microstructural stability of Ni-base superal- loys SHI Lipeng,WANG Wanbo,FENG Qiang,WA NG Yanli,CHEN Guoliang State Key Laboratory for Advanced Metals and Materials,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083.China ABSTRACT Four experimental multi-component Ni-base superalloys were designed to investigate the influence of high Ru and high Cr on the microstructural stability at high temperature.These alloys were solution-treated and then aged at 800-1100C for 10- 1300h.The experimental results showed that no TCP phases were found in the Rufree or Crfree alloy after aging at 1000C for 1300h.For the alloy with high level of Cr addition,TCP phases were observed to precipitate along grain boundaries and in dendrite cores after 20h and 50h at 1000C.respectively:after aging at 1000C for 1000h.no TCP phases were observed in the alloy with high levels of Cr and Ru additions.It is indicated that the high level of Cr addition promotes the precipitation of TCP phases,while high level of Ru addition efficiently lowers the propensity for the formation of TCP phases in the high Cr-containing alloy,and thus improve the microstructural stability. KEY WORDS Ni-base superalloys:ruthenium:chromium:microstructural stability 镍基单晶高温合金由于具有良好的高温性能而 金的液相线温度[)，提高合金的高温蠕变性能和组 成为先进航空发动机热端部件的首选材料，镍基高 织稳定性闺，与第三代单晶高温合金相似，第四代 温合金主要由基体Y(Ni)相和强化相Y(Ni3AI)相 单晶高温合金中Cr的质量分数仍然较低，在2%~ 两相组成，另外还有碳化物和硼化物等二次相以及 4%左右[].目前，国内外对高Cr十Ru高温合金 服役过程中析出的、有害的拓扑密排相(TCP 的研究还非常有限，本文在多组元的镍基高温合金 相)山.为了保持合金的组织稳定性，第二、三代单 中分别和同时加入高Ru和高Cr,研究Ru、Cr以及 晶高温合金在提高难熔金属元素的同时不得不降低 二者共同作用对合金组织稳定性的影响， 元素Cr的含量，Cr含量的持续降低损害合金的抗 氧化，抗腐蚀性能).在第四代镍基单晶高温合金 1实验材料和方法 中，引入新的合金元素Rm,它能够提高镍基高温合 为了研究Ru和Cr对高温合金组织稳定性的 收稿日期：2008-05-24修回日期：2008-07-26 基金项目：国家自然科学基金资助项目(N。.50671015):教育部新世纪优秀人才支持计划资助项目(Na,NCET0G0079) 作者简介：石立鹏(1982-)，男，硕士研究生；冯强(1969-)，男，教授，博士生导师，E-mail:qfeng(@skl.ustb-edu.en
高 Ru 和高 Cr 对镍基高温合金组织稳定性的影响 石立鹏 王万波 冯 强 王艳丽 陈国良 北京科技大学新金属材料国家重点实验室北京100083 摘 要 在多组元的镍基高温合金中分别和同时加入高 Cr 和高 Ru经固溶处理后在800～1100℃下进行10～1300h 时效 处理观察组织并分析 Ru、Cr 以及二者交互作用对合金组织稳定性的影响．结果表明：在无 Cr 和 Ru 的合金中经过1000℃／ 1300h 时效处理后无 TCP 相析出；加入高 Cr 的合金仅20h 就在晶界发现了 TCP 相50h 后在枝晶干出现 TCP 相；在1000℃ 时效TCP 相比其他温度更易析出．在同时加 Cr 和 Ru 的合金中经过1000℃／1000h 时效后并未发现 TCP 相的析出．这说 明高含量的 Cr 促进了 TCP 相的形成而高 Ru 的添加在高 Cr 合金中也能有效地抑制 TCP 相的析出提高组织稳定性． 关键词 镍基高温合金；钌；铬；组织稳定性 分类号 TG146∙1＋5；TG132∙3＋2 Effects of high Ru and high Cr on the microstructural stability of N-i base superalloys SHI LipengW A NG W anboFENG QiangW A NG Y anliCHEN Guoliang State Key Laboratory for Advanced Metals and MaterialsUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China ABSTRACT Four experimental mult-i component N-i base superalloys were designed to investigate the influence of high Ru and high Cr on the microstructural stability at high temperature．T hese alloys were solution-treated and then aged at 800－1100℃ for 10－ 1300h．T he experimental results showed that no TCP phases were found in the Ru-free or Cr-free alloy after aging at 1000℃ for 1300h．For the alloy with high level of Cr additionTCP phases were observed to precipitate along grain boundaries and in dendrite cores after20h and50h at1000℃respectively；after aging at1000℃ for1000hno TCP phases were observed in the alloy with high levels of Cr and Ru additions．It is indicated that the high level of Cr addition promotes the precipitation of TCP phaseswhile high level of Ru addition efficiently lowers the propensity for the formation of TCP phases in the high Cr-containing alloyand thus improve the microstructural stability． KEY WORDS N-i base superalloys；ruthenium；chromium；microstructural stability 收稿日期：2008-05-24 修回日期：2008-07-26 基金项目：国家自然科学基金资助项目 （No．50671015）；教育部新世纪优秀人才支持计划资助项目（No．NCET－06－0079） 作者简介：石立鹏（1982－）男硕士研究生；冯 强（1969－）男教授博士生导师E-mail：qfeng＠skl．ustb．edu．cn 镍基单晶高温合金由于具有良好的高温性能而 成为先进航空发动机热端部件的首选材料．镍基高 温合金主要由基体γ（Ni）相和强化相γ′（Ni3Al）相 两相组成另外还有碳化物和硼化物等二次相以及 服役 过 程 中 析 出 的、有 害 的 拓 扑 密 排 相 （TCP 相） ［1］．为了保持合金的组织稳定性第二、三代单 晶高温合金在提高难熔金属元素的同时不得不降低 元素 Cr 的含量Cr 含量的持续降低损害合金的抗 氧化、抗腐蚀性能［2］．在第四代镍基单晶高温合金 中引入新的合金元素 Ru它能够提高镍基高温合 金的液相线温度［3］提高合金的高温蠕变性能和组 织稳定性［4］．与第三代单晶高温合金相似第四代 单晶高温合金中 Cr 的质量分数仍然较低在2％～ 4％左右［4－6］．目前国内外对高 Cr＋Ru 高温合金 的研究还非常有限．本文在多组元的镍基高温合金 中分别和同时加入高 Ru 和高 Cr研究 Ru、Cr 以及 二者共同作用对合金组织稳定性的影响． 1 实验材料和方法 为了研究 Ru 和 Cr 对高温合金组织稳定性的 第30卷 第12期 2008年 12月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．30No．12 Dec．2008 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2008．12．003
第12期 石立鹏等：高Ru和高C对镍基高温合金组织稳定性的影响 .1363. 影响，以多组元镍基合金A为基体合金，在合金A 基础上加入质量分数为6.7%的Cr形成合金B,加 入质量分数为5.7%的Ru作为合金C,同时，为了 探讨Ru和Cr的交互作用，在合金A中同时加入 6.7%Cr和5.7%Ru,作为合金D.四种合金的名 义成分如表1所示 表1实验合金的名义成分（质量分数） Table 1 Nominal compositions of experimental alloys % 合金Al Ta W Co Re Cr Ru Ni 5 um A 6.08.03.0 7.24.50 0余量 B 6.08.03.07.24.56.70 余量 图1合金A经1000℃/1300h时效后的典型显微组织 C 6.08.03.07.24.505.7 余量 Fig-I Typical microstructure of Alloy A after heat treatment at 1000℃/1300h D 6.08.03.07.24.56.75.7余量 合金B(6.7%Cr十0Ru)为高Cr合金，经 合金在真空感应炉中进行熔炼，然后浇注到柱 1000℃/20h时效后，基体为Y+Y两相组织，除此 形坩埚中，形成直径约75mm、重约2.5kg的合金锭 之外，晶内无二次析出相，但沿晶界有块状相析出， (多晶合金)·光学显微镜和扫描电镜(SEM)的组织 在BSE成像模式下显示为白色衬度，如图2(a)所 观察结果表明，未发现各实验合金存在宏观偏析· 示，EDS分析表明该析出相富含Cr和Re元素，其 四种合金1300℃固溶处理48h,空冷；在1100℃ 中Re的质量分数为64%左右，而Cr的质量分数为 时效8h后，空冷；然后在800,900,1000和1100℃ 16%左右.根据其形貌和成分特征判断-)，该相 分别进行10~1300h时效，空冷.在SEM背散射电 应为TCP相.随着时效时间的延长，晶界上析出的 子(BSE)成像模式下观察二次相的析出情况，并利 TCP相数量逐渐增多，50h后在枝晶干处发现有针 用能谱(EDS)分析析出相的成分 状析出相，EDS分析表明该析出相成分与晶界处析 2实验结果 出相成分基本相同，也应为TCP相.当时效时间达 到1000h时，枝晶干处针状TCP相明显增多和粗 合金A(0Cr+0Ru)分别在800,900,1000和 化，如图2(b)所示，在对该合金其他温度时效组织 1100℃下进行了20~1000h的时效处理.在各温 的观察中发现：在800℃时效50h后，在晶界有TCP 度和各时间段，除Y十Y两相组织外，均未发现有二 相的析出，而经1000h后在枝晶干处仍然没有TCP 次相析出.另外，还对合金A进行了1000℃/ 相等二次相的析出；在900℃时效40h后，在晶界出 1300h的长期时效.图1为合金A在该热处理制度 现了TCP相，另外在此温度对该合金进行了700h 下的典型显微组织（背散射SEM照片），除有部分 的长期时效，除晶界处TCP相长大外，晶内无TCP Y相开始粗化外，在基体中并没有TCP相等二次相 等二次相析出：在1100℃时效，经过50h,在晶界和 析出 枝晶干处均发现有TCP相析出 2 um 54m 图2合金B时效后的典型显微组织.(a)1000℃/20h:(b)1000℃/1000h Fig.2 Typical microstructures of Alloy B after heat treatment (a)1000 C/20h:(b)1000C/1000h
影响以多组元镍基合金 A 为基体合金在合金 A 基础上加入质量分数为6∙7％的 Cr 形成合金 B加 入质量分数为5∙7％的 Ru 作为合金 C．同时为了 探讨 Ru 和 Cr 的交互作用在合金 A 中同时加入 6∙7％ Cr 和5∙7％ Ru作为合金 D．四种合金的名 义成分如表1所示． 表1 实验合金的名义成分（质量分数） Table1 Nominal compositions of experimental alloys ％ 合金 Al Ta W Co Re Cr Ru Ni A 6∙0 8∙0 3∙0 7∙2 4∙5 0 0 余量 B 6∙0 8∙0 3∙0 7∙2 4∙5 6∙7 0 余量 C 6∙0 8∙0 3∙0 7∙2 4∙5 0 5∙7 余量 D 6∙0 8∙0 3∙0 7∙2 4∙5 6∙7 5∙7 余量 图2 合金 B 时效后的典型显微组织．（a）1000℃／20h；（b）1000℃／1000h Fig．2 Typical microstructures of Alloy B after heat treatment：（a）1000℃／20h；（b）1000℃／1000h 合金在真空感应炉中进行熔炼然后浇注到柱 形坩埚中形成直径约75mm、重约2∙5kg 的合金锭 （多晶合金）．光学显微镜和扫描电镜（SEM）的组织 观察结果表明未发现各实验合金存在宏观偏析． 四种合金1300℃固溶处理4～8h空冷；在1100℃ 时效8h 后空冷；然后在8009001000和1100℃ 分别进行10～1300h 时效空冷．在SEM 背散射电 子（BSE）成像模式下观察二次相的析出情况并利 用能谱（EDS）分析析出相的成分． 2 实验结果 合金 A（0Cr ＋0Ru）分别在8009001000和 1100℃下进行了20～1000h 的时效处理．在各温 度和各时间段除γ＋γ′两相组织外均未发现有二 次相 析 出．另 外还 对 合 金 A 进 行 了1000℃／ 1300h的长期时效．图1为合金 A 在该热处理制度 下的典型显微组织（背散射 SEM 照片）除有部分 γ′相开始粗化外在基体中并没有 TCP 相等二次相 析出． 图1 合金 A 经1000℃／1300h 时效后的典型显微组织 Fig．1 Typical microstructure of Alloy A after heat treatment at 1000℃／1300h 合 金 B （6∙7％ Cr ＋0Ru） 为 高 Cr 合 金经 1000℃／20h时效后基体为γ＋γ′两相组织．除此 之外晶内无二次析出相但沿晶界有块状相析出 在 BSE 成像模式下显示为白色衬度如图2（a）所 示．EDS 分析表明该析出相富含 Cr 和 Re 元素其 中 Re 的质量分数为64％左右而 Cr 的质量分数为 16％左右．根据其形貌和成分特征判断［7－8］该相 应为 TCP 相．随着时效时间的延长晶界上析出的 TCP 相数量逐渐增多50h 后在枝晶干处发现有针 状析出相．EDS 分析表明该析出相成分与晶界处析 出相成分基本相同也应为 TCP 相．当时效时间达 到1000h 时枝晶干处针状 TCP 相明显增多和粗 化如图2（b）所示．在对该合金其他温度时效组织 的观察中发现：在800℃时效50h 后在晶界有 TCP 相的析出而经1000h后在枝晶干处仍然没有 TCP 相等二次相的析出；在900℃时效40h 后在晶界出 现了 TCP 相另外在此温度对该合金进行了700h 的长期时效除晶界处 TCP 相长大外晶内无 TCP 等二次相析出；在1100℃时效经过50h在晶界和 枝晶干处均发现有 TCP 相析出． 第12期 石立鹏等： 高 Ru 和高 Cr 对镍基高温合金组织稳定性的影响 ·1363·
.1364 北京科技大学学报 第30卷 合金C(0Cr+5.7%Ru)经1000℃/50h热处理 TCP等二次相析出.但在1000℃时效100h后，晶界 后晶内除Y十Y两相组织外，无TCP等二次相的析 出现了二次相，EDS分析表明该相富含Ru、Re和 出，但在晶界出现了二次析出相，EDS分析表明该 Cr元素，也应为6相).300h后除了6相外，还发 相富含Ru和Re,根据相关研究报道町，该相应为 现了另外一种相沿晶界析出.EDS分析表明该析出 hcp结构的6相.图3(a)为合金经1000℃/1000h 相富含Ru、Al和Ta,且三种元素的原子含量比值呈 时效后的组织，该图显示白色衬度颗粒ò相在晶界 现一定的规律，几乎全都接近2：1：1.根据以前的有 析出，但在枝晶干处仍未发现二次相析出.另外，对 关研究Io],认为该析出物应为L21结构的Heusler 该合金进行了800℃/300h的时效处理，在晶界已 相，即为Ru2ATa·热处理7O0h后，未发现富含 经出现了富含Ru和Re的ò相，但枝晶干处直到 Ru、Re和Cr元素的ò相；但直到1O0Oh,Heusler相 1000h也未出现二次析出相.在1100℃热处理到 仍然存在，如图3(b)所示.在对该合金进行800℃时 300,在晶界和枝晶干处均未发现二次析出相，但 效的过程中，经700h在枝晶干和晶界没有发现二次 此时Y相已经明显发生了粗化和长大，形成不规则 相的析出，经1000h的时效处理后，在晶界处发现有 的形状 二次相的析出，EDS分析表明该相为富含Cr、Re和 合金D(6.7%Cr+5.7%Ru)在1000℃时效 Ru元素的ò相：而枝晶干处始终无二次相的析出.在 1000h后，在晶内除Y十Y两相组织外始终没有 1100℃时效处理到300h,未发现有二次相的析出. H相 5 um 5 jm 图3经1000℃/1000h时效后合金的典型显微组织.(a)合金C:(b)合金D Fig.3 Typical microstructures of alloys after heat treatment at 1000C/1000h:(a)Alloy C.(b)Alloy D 3分析与讨论 二代和第三代单晶之间.以1000℃时效后的组织 稳定性为例，合金A(OCr+0Ru)在1000℃时效到 难熔金属元素(Mo、W、Re和Ta)在合金的固溶 1300h也未发现TCP相的析出，当加入高Cr后，合 强化、改善合金的高温力学性能方面具有重要作用， 金B(6.7%Cr+0Ru)经20h时效处理就在晶界发 从单晶高温合金的发展进程来看，难熔金属元素的 现了块状TCP相的析出；50h时效后，枝晶干处发 总量（质量分数）已从第一代单晶的14.6%增加到 现针状TCP相析出，在此基础上加入高Ru,合金D 第三代的20.7%左右，但大量难熔元素的添加促 (6.7%Cr十5.7%Ru)时效处理到1000h,除在晶界 进了TCP相的析出，TCP相作为脆性相，不仅成为 发现Heusler相外，在基体和晶界均未有TCP相析 合金服役过程中裂纹萌生和扩展的主要来源，而且出.由此可见：高Cr的添加强烈促进了TCP相的 由于TCP相吸收了周围大量的难熔元素，使基体的 析出；而高R山的添加提高了组织稳定性，明显抑制 强化效果大大降低，在镍基合金中，Cr是有效的抗 了TCP相的析出，需要指出的是，已有研究报道了 氧化和抗热腐蚀元素，但也使TCP相的析出倾向性 在镍基单晶高温合金中添加Ru元素抑制了TCP相 明显增加.因此，Cr的质量分数由第一代单晶中的 的析出，提高了合金的组织稳定性，但这些合金中 10%降至第三代的3%左右，但Cr含量的持续降低 Cr的质量分数仅为2.5%左右，而Ru的质量分数 也损害了合金的抗氧化和抗热腐蚀性能[3. 也为2%左右-.在本研究中，虽然合金D中Cr 本课题设计的合金成分中无Mo元素，难熔金 含量很高，但高Ru的加入仍然使该合金具有良好 属元素Re十W十Ta的质量分数为15.5%，介于第 的组织稳定性
合金 C（0Cr＋5∙7％Ru）经1000℃／50h 热处理 后晶内除γ＋γ′两相组织外无 TCP 等二次相的析 出但在晶界出现了二次析出相EDS 分析表明该 相富含 Ru 和 Re．根据相关研究报道［9］该相应为 hcp 结构的δ相．图3（a）为合金经1000℃／1000h 时效后的组织该图显示白色衬度颗粒δ相在晶界 析出但在枝晶干处仍未发现二次相析出．另外对 该合金进行了800℃／300h 的时效处理在晶界已 经出现了富含 Ru 和 Re 的δ相但枝晶干处直到 1000h也未出现二次析出相．在1100℃热处理到 300h在晶界和枝晶干处均未发现二次析出相但 此时γ′相已经明显发生了粗化和长大形成不规则 的形状． 合金 D（6∙7％Cr＋5∙7％Ru）在1000℃时效 1000h后在晶内除 γ＋γ′两相组织外始终没有 TCP 等二次相析出．但在1000℃时效100h后晶界 出现了二次相EDS 分析表明该相富含 Ru、Re 和 Cr 元素也应为δ相［9］．300h 后除了δ相外还发 现了另外一种相沿晶界析出．EDS 分析表明该析出 相富含 Ru、Al 和 Ta且三种元素的原子含量比值呈 现一定的规律几乎全都接近2∶1∶1．根据以前的有 关研究［10］认为该析出物应为 L21 结构的 Heusler 相即为 Ru2AlTa．热处理700h 后未发现富含 Ru、Re 和 Cr 元素的δ相；但直到1000hHeusler 相 仍然存在如图3（b）所示．在对该合金进行800℃时 效的过程中经700h 在枝晶干和晶界没有发现二次 相的析出．经1000h 的时效处理后在晶界处发现有 二次相的析出EDS 分析表明该相为富含 Cr、Re 和 Ru 元素的δ相；而枝晶干处始终无二次相的析出．在 1100℃时效处理到300h未发现有二次相的析出． 图3 经1000℃／1000h 时效后合金的典型显微组织．（a） 合金 C；（b） 合金 D Fig．3 Typical microstructures of alloys after heat treatment at 1000℃／1000h：（a） Alloy C（b） Alloy D 3 分析与讨论 难熔金属元素（Mo、W、Re 和 Ta）在合金的固溶 强化、改善合金的高温力学性能方面具有重要作用． 从单晶高温合金的发展进程来看难熔金属元素的 总量（质量分数）已从第一代单晶的14∙6％增加到 第三代的20∙7％左右［2］但大量难熔元素的添加促 进了 TCP 相的析出．TCP 相作为脆性相不仅成为 合金服役过程中裂纹萌生和扩展的主要来源而且 由于 TCP 相吸收了周围大量的难熔元素使基体的 强化效果大大降低．在镍基合金中Cr 是有效的抗 氧化和抗热腐蚀元素但也使 TCP 相的析出倾向性 明显增加．因此Cr 的质量分数由第一代单晶中的 10％降至第三代的3％左右但 Cr 含量的持续降低 也损害了合金的抗氧化和抗热腐蚀性能［2］． 本课题设计的合金成分中无 Mo 元素难熔金 属元素 Re＋W＋Ta 的质量分数为15∙5％介于第 二代和第三代单晶之间．以1000℃时效后的组织 稳定性为例合金 A（0Cr＋0Ru）在1000℃时效到 1300h也未发现 TCP 相的析出．当加入高 Cr 后合 金 B（6∙7％Cr＋0Ru）经20h 时效处理就在晶界发 现了块状 TCP 相的析出；50h 时效后枝晶干处发 现针状 TCP 相析出．在此基础上加入高 Ru合金 D （6∙7％Cr＋5∙7％Ru）时效处理到1000h除在晶界 发现 Heusler 相外在基体和晶界均未有 TCP 相析 出．由此可见：高 Cr 的添加强烈促进了 TCP 相的 析出；而高 Ru 的添加提高了组织稳定性明显抑制 了 TCP 相的析出．需要指出的是已有研究报道了 在镍基单晶高温合金中添加 Ru 元素抑制了 TCP 相 的析出提高了合金的组织稳定性但这些合金中 Cr 的质量分数仅为2∙5％左右而 Ru 的质量分数 也为2％左右［11－12］．在本研究中虽然合金 D 中 Cr 含量很高但高 Ru 的加入仍然使该合金具有良好 的组织稳定性． ·1364· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷
第12期 石立鹏等：高Ru和高Cr对镍基高温合金组织稳定性的影响 .1365. TCP相的析出位置具有明显的择优倾向，本实 (胡壮麒，刘丽荣，金涛，等.镍基单晶高温合金的发展，航空 验清楚表明TCP相首先在晶界析出，然后在枝品干 发动机，2005,31(3)：1) 析出，TCP相在晶界析出，主要原因是：(1)TCP相 [3]Feng Q.Nandy T K.TinS,et al.Solidification of high-refracto- ry ruthenium"containing superalloys.Acta Mater.2003.51(1): 在晶界处形核可以抵消部分晶界缺陷，降低TCP相 269 的形核功从而易于形核13]；(2)虽然Re、W等合金 [4]Walston S,Cetel A.MacKay R.et al.Joint development of a 元素的扩散系数比较低，但晶界提供了一个高扩散 fourth generation single crystal superalloy/Superalloys 2004. 通道，使Re、W等TCP相形成元素容易在晶界输 Warrendale.2004:15 运，促进TCP相的形成，TCP相在枝晶干析出，主 [5]Caron P.High 7 solvus new generation nickel-based superalloys 要是由合金元素的凝固偏析造成的.在合金凝 for single crystal turbine blade applications/Superalloys 2000. Warrendale,2000:737 固过程中，Re、W等难熔金属元素优先在枝晶干富 [6]Zhang JX.Murakumo T,Koizumi Y.et al.Interfacial disloca- 集，在热处理过程中由于Re、W扩散系数比较低，这 tion networks strengthening a fourth-generation single crystal 种成分偏析不能完全消除，因而TCP相易在枝晶干 TMS-138 superalloy.Metall Mater Trans A.2002,33(12): 上析出5] 3741 [7]Rae C M F.Reed R C.The precipitation of topologically close- 4结论 packed phases in rhenium-containing superalloys.Acta Mater, 2001,49(19):4113 (1)无Cr和Ru的合金在1000℃时效到 [8]Acharya M V,Fuchs G E.The effect of long term thermal expo 1300h,未有TCP相等二次相的析出.高Cr的加 sures on the microstructure and properties of CMSX-10 single 入，使合金经20h和50h时效后在晶界和枝晶干处 crystal Ni-base superalloys.Mater Sci Eng A.2004.381(1/2): 143 有TCP相存在，在此基础上，合金加入高Ru,经 [9]Feng Q.Nandy T K.Rowland L J.et al.New phases in Ru 1000℃时效1000h在枝晶干仍未有TCP相的 containing single crystal superalloys//Superalloys 2004.Warren- 析出， dale,2004:769 (2)高Cr的添加显著促进了TCP相的析出， [10]Feng Q.Nandy T K.Pollock T M.Observation of a Rurich 加入高Ru明显抑制了高Cr合金中TCP相的析出， Heusler phase in a multicomponent Ni-base superalloy.Scripta Mater,2004,50(6):849 改善了其组织稳定性， [11]Sato A,Harada H,Yokokawa T,et al.The effects of rutheni- (3)TCP相易在晶界处形核并首先析出；随后， um on the phase stability of fourth generation Ni-base single TCP相择优在枝晶干上析出，这主要是由于难熔元 crystal superalloys.Scripta Mater,2006,54(9):1679 素的成分偏析造成的 [12]Yeh A C.Tin S.Effects of Ru on the high temperature phase (4)与其他时效温度相比，含高Cr无Ru的合 stability of Ni-base single-crystal superalloys.Metall Mater 金在1000~1100℃时效时，TCP相更容易析出. Trans A,2006,37(9):2621 [13]Yu Y N.Principles of Metal Physics.Beijing:Metallurgical In- 致谢感谢美国密西根大学的T,M,Pollock dustry Press.2000 教授为本研究提供实验合金， (余永宁.金属学原理，北京：冶金工业出版社，2000) [14]Tin S,Pollock T M.King W T.Carbon additions and grain de- 参考文献 fect formation in high refractory nickel-base single crystal super- [1]Sims C T,Stoloff NS,Hagel W C.Superalloys l.New York: alloys//Superalloys 2000.Warrendale.2000:201 Wiley,1987 [15]Tin S and Pollock T M.Phase instabilities and carbon additions [2]Hu Z Q.Liu L R.Jin T,et al.Development of the Ni-base sin- in single-crystal nickel-base superalloys.Mater Sci Eng A, gle crystal superalloys.Aeroengines,2005.31(3):1 2003.,348(1/2):111
TCP 相的析出位置具有明显的择优倾向．本实 验清楚表明 TCP 相首先在晶界析出然后在枝晶干 析出．TCP 相在晶界析出主要原因是：（1）TCP 相 在晶界处形核可以抵消部分晶界缺陷降低 TCP 相 的形核功从而易于形核［13］；（2）虽然 Re、W 等合金 元素的扩散系数比较低但晶界提供了一个高扩散 通道使 Re、W 等 TCP 相形成元素容易在晶界输 运促进 TCP 相的形成．TCP 相在枝晶干析出主 要是由合金元素的凝固偏析造成的［14］．在合金凝 固过程中Re、W 等难熔金属元素优先在枝晶干富 集在热处理过程中由于 Re、W 扩散系数比较低这 种成分偏析不能完全消除因而 TCP 相易在枝晶干 上析出［15］． 4 结论 （1） 无 Cr 和 Ru 的合金在 1000℃ 时效到 1300h未有 TCP 相等二次相的析出．高 Cr 的加 入使合金经20h 和50h 时效后在晶界和枝晶干处 有 TCP 相存在．在此基础上合金加入高 Ru经 1000℃时 效1000h 在 枝 晶 干 仍 未 有 TCP 相 的 析出． （2） 高 Cr 的添加显著促进了 TCP 相的析出 加入高 Ru 明显抑制了高 Cr 合金中 TCP 相的析出 改善了其组织稳定性． （3） TCP 相易在晶界处形核并首先析出；随后 TCP 相择优在枝晶干上析出这主要是由于难熔元 素的成分偏析造成的． （4） 与其他时效温度相比含高 Cr 无 Ru 的合 金在1000～1100℃ 时效时TCP 相更容易析出． 致谢 感谢美国密西根大学的 T．M．Pollock 教授为本研究提供实验合金． 参 考 文 献 ［1］ Sims C TStoloff N SHagel W C．Superalloys Ⅱ．New York： Wiley1987 ［2］ Hu Z QLiu L RJin Tet al．Development of the N-i base single crystal superalloys．Aero-engines200531（3）：1 （胡壮麒刘丽荣金涛等．镍基单晶高温合金的发展．航空 发动机200531（3）：1） ［3］ Feng QNandy T KTin Set al．Solidification of high-refractory ruthenium-containing superalloys．Acta Mater200351（1）： 269 ［4］ Walston SCetel AMacKay Ret al．Joint development of a fourth generation single crystal superalloy ∥ Superalloys 2004． Warrendale2004：15 ［5］ Caron P．High γ′solvus new generation nicke-l based superalloys for single crystal turbine blade applications∥ Superalloys 2000． Warrendale2000：737 ［6］ Zhang J XMurakumo TKoizumi Yet al．Interfacial dislocation networks strengthening a fourth-generation single-crystal T MS-138superalloy． Metall Mater T rans A200233（12）： 3741 ［7］ Rae C M FReed R C．The precipitation of topologically closepacked phases in rhenium-containing superalloys． Acta Mater 200149（19）：4113 ［8］ Acharya M VFuchs G E．The effect of long-term thermal exposures on the microstructure and properties of CMSX-10 single crystal N-i base superalloys．Mater Sci Eng A2004381（1／2）： 143 ［9］ Feng QNandy T KRowland L Jet al．New phases in Rucontaining single-crystal superalloys∥ Superalloys2004．Warrendale2004：769 ［10］ Feng QNandy T KPollock T M．Observation of a Ru-rich Heusler phase in a multicomponent N-i base superalloy．Scripta Mater200450（6）：849 ［11］ Sato AHarada HYokokawa Tet al．The effects of ruthenium on the phase stability of fourth generation N-i base single crystal superalloys．Scripta Mater200654（9）：1679 ［12］ Yeh A CTin S．Effects of Ru on the high-temperature phase stability of N-i base single-crystal superalloys． Metall Mater T rans A200637（9）：2621 ［13］ Yu Y N．Principles of Metal Physics．Beijing：Metallurgical Industry Press2000 （余永宁．金属学原理．北京：冶金工业出版社2000） ［14］ Tin SPollock T MKing W T．Carbon additions and grain defect formation in high refractory nicke-l base single crystal superalloys∥ Superalloys2000．Warrendale2000：201 ［15］ Tin S and Pollock T M．Phase instabilities and carbon additions in single-crystal nicke-l base superalloys． Mater Sci Eng A 2003348（1／2）：111 第12期 石立鹏等： 高 Ru 和高 Cr 对镍基高温合金组织稳定性的影响 ·1365·