.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1000h‚Heusler 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