Ta和Ru对低Cr高W铸造镍基高温合金组织及性能的影响

【摘要】： 近几年，高温合金在发电用地面燃气涡轮大型叶片和高温锻模上得到了广泛应用，不断提高此类合金的承温能力和降低合金成本是当前主要的研究目标。低Cr高W(包括Mo、Nb、Ta、Re等难熔元素)合金化是提高合金高温强度的有效手段，已为冶金工作者所广泛接受。当前的高温合金中普遍含有稀贵金属Ta和Re，使合金成本提高一个数量级以上，严重限制了合金的推广应用。近年来，Ru被认为是一种有望替代Re的元素逐步引起人们的注意。本文主要研究Ta和Ru对低Cr高W铸造镍基高温合金显微组织和性能的影响，意在通过对两种元素全面系统的研究了解它们影响合金组织和性能的机制，为寻求降Ta和以Ru代Re的途径提供可能，对指导和开发立足本国实情的低成本高性能高温合金具有重大意义。 本研究在对基础成分的低Cr高W铸造镍基高温合金的显微组织及其稳定性进行研究的基础上，通过光学金相、定量金相、扫描电镜、能谱分析和X射线衍射等实验手段对Ta对合金的显微组织、氧化行为、持久性能的影响和Ru对合金的显微组织、热处理、凝固行为的影响作了较为系统的研究。 对试验用基础成分低Cr高W合金铸态及850℃／3000h、950℃／1000h、1100℃／50～500h热暴露后的显微组织进行分析。结果表明：低Cr高W铸造镍基高温合金的铸态显微组织由分布于枝晶间的白色块状共晶γ’相、骨架状MC碳化物以及弥散分布于γ基体中的次生γ’相组成。铸态组织中相的含量及大小与取样部位的截面 郑亮:西安理工大学硕士学位论文 尺寸有关。其中大截面中共晶丫的含量少而尺寸大;截面尺寸对铸态组织中MC碳 化物含量影响不大，但其尺寸随着截面尺寸的增大而增大。本试验用基础成分低 Cr高W铸造镍基高温合金具有优良的组织稳定性，在850℃一1100℃长时热暴露 均不析出有害的TcP相。该合金的MC碳化物比较稳定，1 1 00℃/50oh后其含量仍 有铸态组织中的50%左右。在长时热暴露中，碳化物反应是MC的缓慢分解和M6C 沿晶界、枝晶间和共晶丫周围析出，1100℃/500h后M6c的量可达1.4%(体积分 数)。 对无Ta和不同含Ta量合金的铸态以及1100℃/50Oh热暴露后合金的显微组织 分析表明:Ta不会改变合金中析出相的种类，Ta是强烈的MC碳化物形成元素， 它形成Mc碳化物的倾向低于Nb、高于Ti。Ta是强烈的丫形成元素，它促进共晶 Y’的形成。在合金成分中以等量原子百分含量的Ta代替AI不会改变合金中的共晶 丫数量。过高的含Ta量会形成过量共晶丫，由于w、M。元素在共晶丫中的溶解 度低，过剩的W、M。以a(W，Mo)固溶体的形式析出。在高W铸造高温合金 中M6C是比MC更加稳定的碳化物。Ta的加入不能抑制在1 100℃/sooh长时热暴 露后MC转变为粒状或片状M6C。MC分解时释放的碳还促使a(W，Mo)+C*呱C 反应发生。 对不同含Ta量的3炉合金进行了静态空气下1100℃/2 min一100h等温氧化试验， 并对氧化产物和氧化层结构进行了分析，结果表明:无Ta的合金和6wt%Al、4Wt% Ta的合金经1100℃/100h氧化后的最终主要氧化产物均包含Nio、NIA120;和 NiwO4，此外合金中还分别存在少量的NINbZO6和Ni(Ta， Nb)206。合金的氧化动 力学曲线遵循分段抛物线规律。Ta的加入能减少合金的氧化增重和延缓氧化皮剥 落，提高合金的抗氧化能力。合金的早期氧化主要表现为碳化物的优先选择性氧化。 6wt%Al、owt%Ta的合金与swt%Al、4wt%Ta的合金具有相当的抗氧化能力，从 高温抗氧化性能考虑，可以用Al代Ta。 对4炉不同Ta含量的合金进行了760℃/6 86MPa和1 100℃/l 18MPa的持久试 验，对持久断裂后试样进行显微组织分析，结果表明:Ta对铸造镍基高温合金中 温持久性能的贡献在于其提高共晶丫含量。此外，Ta进入共晶Y’进一步强化共晶丫 摘要 本身，在枝晶间分布的共晶丫有阻碍二次裂纹扩一展的作用。Ta对铸造镍基高温合金 高温持久性能的贡献在于Ta能减慢其它元素在Y中的扩散速度，提高丫的热稳定 性。过量的Ta对铸造镍基高温合金高温持久性能的不利作用是因为大量共晶丫的 形成并减少次生Y’的量。此外，过量Ta的加入导致共晶丫内部a(W， Mo)相的形成， 夺走了部分本该参与固溶强化的W和Mo，减弱了合金基体的固溶强化。 用等温凝固淬火和差热分析(DTA)结合的方法研究了含3wt%Ru和无Ru合 金的凝固过程，得到了两种合金的凝固顺序图和凝固特性曲线。对3wt% Ru和无 Ru合金进行1260℃/4h、1260oC/4h+1280oC/4h、1260oC/4h+1300oC/4h固溶热处理 和1260℃/4h+l 100℃/100h热暴露试验，以考察Ru对固溶处理的影响。对凝固试 验和固溶热处理后试样进行了显微组织分析，结果如下:低Cr高W铸造镍基高温 合金中加入3%(质量分数)Ru不会改变合金中析出相的种类，Ru是一个偏析倾 向很弱的元素，主要进入了相，它不改变其他合金元素在枝晶干和枝晶间的分布特 征。Ru不影响低Cr高W铸造镍基高温合金的液相线温度，但对合金相的析出温 度有明显影响，表现为升高Mc碳化物的析出温度约10℃，使丫勺，共晶和枝晶间 次生Y’的析出温度降低约10℃。Ru的加入可有效抑制合金凝固缓冷过程中产生的 大块初生M6C碳化物和合金