[011]取向DD6单晶高温合金薄壁持久性能.pdf

　２４　　　材料工程／２０１１年８期　　　［－０１１３取向ＤＤ６　薄壁持久性能　　　　　　△　　ｌ旦．吉日　　半明同　　　　，皿。口亚—　　　　　　ＴｈｉｎｗａｌｌＳｔｒｅｓｓＲｕｐｔｕｒｅＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＳｉｎｇｌｅ　　　　　ＣｒｙｓｔａｌＳｕｐｅｒａｌｌｏｙＤＤ６ｗｉｔｈ［Ｏｌ１］Ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ　　刘维维，李　　　　　影，刘世忠，李嘉荣　　　　　（ＪＬ京航空材料研究院先进高温结构材料国防科技重点实验室，北京１０００９５）　　—　　—　—　ＬＩＵＷｅｉｗｅｉ，ＬＩＹｉｎｇ，ＬＩＵＳｈｉｚｈｏｎｇ，ＬＩＪｉａｒｏｎｇ　　　　　　　　　　　（ＮａｔｉｏｎａｌＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｎＡｄｖａｎｃｅｄＨｉｇｈＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　　　　　　　ＳｔｒｕｃｔｕｒａｌＭａｔｅｒｉａｌｓ，ＢｅｉｊｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌＭａｔｅｒｉａｌｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００９５，Ｃｈｉｎａ）　　　　　　　　　　　　摘要：采用薄壁试样研究了７６０，９８０，１０７０￣Ｃ条件下Ｅ０１１］取向第二代单晶高温合金ＤＤ６的持久性能。结果表明：与标　　　　　　　℃℃　准试样（直径５ｒａｍ）相比，ＤＤ６单晶高温合金薄壁试样的持久寿命与之相当。对合金７６０／５９０ＭＰａ，９８０／２７０ＭＰａ及℃　℃　　　　　　　　　　　　１０７０／２７０ＭＰａ条件下组织分析发现：７６０合金Ｔ相局部发生变形，９８０，Ｉｏ７ｏ￣Ｃ条件下ＤＤ６合金７相发生了定向粗　　　化，形成筏排。　　　　　　关键词：单晶高温合金；ＤＤ６；薄壁性能；持久寿命　　中图分类号：ＴＧ１３２．３　　文献标识码：Ａ　———　文章编号：１００１４３８１（２０１１）０８００２４０４—　　　　　　　　　　　　Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｉｎｗａｌｌｓｔｒｅｓｓｒｕｐｔｕｒｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｔｈｅｓｅｃｏｎｄｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｓｉｎｇｌｅｃｒｙｓｔａｌｓｕｐｅｒａｌｌｏｙＤＤ６　　　　　℃　　℃　　　　　—　ｗｉｔｈｒ０１１］ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎｗｅｒｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄａｔ７６０，９８０ａｎｄｌ０７０．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｓｔｒｅｓｓ　　　—　　　　　　　　　　—　ｒｕｐｔｕｒｅｌｉｖｅｓｏｆｔｈｉｎｗａｌ１ｓｐｅｃｉｍｅｎｓａｒｅｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｔｏｔｈｏｓｅｏｆｓｔａｎｄａｒｄｓｐｅｃｉｍｅｎｓ．Ｔｈｅｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃ　　　　　　　℃℃　　　℃　　　　ｔｕｒｅｓｏｆｔｈｅａｌｌｏｙｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄａｔ７６０／５９０ＭＰａ，９８０／２７０ＭＰａａｎｄ１０７０／２７０ＭＰａ，ｔｈｅ７ｐｈａｓｅ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　ｏｃｃｕｒｓｌｏｃａｌｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎａｔ７６０ｏＣ，ａｎｄｔｈｅｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｃｏａｒｓｅｎｉｎｇ７ｐｈａｓｅｏｃｃｕｒｓａｎｄｔｈｅｒａｆｔｉｎｇｉｓ　　　　　℃　　ｆｏｒｍｅｄａｔ９８０ｏＣａｎｄ１０７０．　　　—　—　　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｉｎｇｌｅｃｒｙｓｔａｌｓｕｐｅｒａｌｌｏｙ；ＤＤ６；ｔｈｉｎｗａｌｌｐｒｏｐｅｒｔｙ；ｓｔｒｅｓｓｒｕｐｔｕｒｅｌｉｆｅ　　随着航空发动机涡轮工作温度的不断提高，涡轮　　　叶片内腔结构日趋复杂，这种空心内腔气冷薄壁结构　　　要求涡轮叶片的壁非常薄，在此情况下，材料性能与标　　　　　　　　　　　　　　准试样相比可能有所变化，由此产生薄壁效应ｌ１］。镍　　　　基单晶高温合金由于具有优良的高温性能，是目前制　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　造先进航空发动机燃气涡轮叶片的主要材料。　　Ｓｅｅｔｈａｒａｍａｎ［２］研究发现，ＰＷＡ１４８４合金机加后薄壁　　　℃　试样厚度从３．１８ｍｍ降低到０．３８ｍｍ，７６０／７５８ＭＰａ　　　　　　　　　　　　　　　蠕变寿命降低６Ｏ，但是机加后薄壁试样厚度对℃　　　８７１和９８２ｏＣ持久寿命影响相对有限。Ｄｏｎｅｒ＿３］等发　　　现，当施加应力低于２７５ＭＰａ，未加涂层的ＣＭＳｘ一３合　金试样受厚度影响显著。张强＿４］对一种定向凝固高温　　　　合金的管状薄壁试样（一１．０～１．４ｍｍ）研究发现，薄　　　　　壁试样的持久性能与标准试样（直径５ｍｍ）相比元明　　　　　显下降，主要原因是薄壁试样的凝固速率快，使得枝晶　　　　密度增大，每个枝晶实际承受载荷减小。中温持久寿　　　　　命对壁厚更为敏感，但单晶及定向凝固合金的薄壁效　　应比普通铸造合金要小［５］。　　　　　　　　　　　　　与多晶材料相比，单晶高温合金的一个显著特征　　　　　　　　　　　　　为各向异性，单晶高温合金的持久性能具有明显的取　　　　向依赖性。刘金来等测定了一种镍基单晶高温合金　　　　　　［００１］，ＥＯｌ１］，［１１１］取向高温持久性能，结果表明：　　［ＯＯ１］方向塑性最好，［１１１］方向寿命最长，而Ｅ０１１］方　　　向各性能指标较低。赵乃仁［７等对一种无铼单晶合金℃　℃　　　　　　　８７１／５５２ＭＰａ及１０１０／２４８ＭＰａ持久性能测试后　　发现，ＥＯｌ１］方向持久寿命最低。　　尽管ＥＯＯ１］取向的综合性能较优，而且单晶叶片的　　　［００１］取向与叶片工作时的主应力轴方向平行，但叶片　　　　　　　　　　　的复杂形状及各部分的温度梯度仍会产生多轴应　力嘲。为了优化单晶叶片的设计，充分利用高温合金　　优异的高温强度，应开展Ｅｏｏ１］，［０１１］，［１１１］取向合金　　　的薄壁性能研究。本工作选择７６０，９８０，１０７０￣Ｃ条件　　　下ＥＯｌ１］取向的ＤＤ６合金进行薄壁持久性能研究，并　　　　　　　　与标准试样（直径５ｍｍ）持久性能进行对比。　　　　ＥＯｌ１］取向ＤＤ６单晶高温合金薄壁持久性能　２５　　　　１试样制备和实验方法　　　　　　　　　　　　　在ＺＧＤ－１真空感应定向凝固炉内采用籽晶法制　　　　　　　备［Ｏｌ１］取向的ＤＤ６合金单晶试板，铸造单晶试板尺　寸为１３０ｍｍ×３０ｍｍ×　１０ｍｍ，母合金化学成分控制如　　　　　　文献Ｉ－９－］所示。用劳埃ｘ射线法测定单晶试板的结晶　　　取向，加工后的力学性能试样ＥＯｌ１］结晶取向与试样主　　　　　　　应力轴方向偏离小于１Ｏ。。　　２结果及讨论　　　　　　　　　　　　　　按照标准热处理工艺对ＤＤ６单晶试板进行热处　　　　　　℃　　℃　　℃　　理，热处理制度为１２９０，ｌｈ＋１３００，２ｈ＋１３１５，　　℃　　℃　　　　４ｈ空冷＋１１２０，４ｈ空冷＋８７０，３２ｈ空冷。　　　　　将热处理后的试板按照要求加工成板状薄壁试　　　　　　　　　　　　　　　样，具体形状和尺寸如图１所示。测试７６０，９８０，　　　１０７０￣Ｃ条件下薄壁持久性能，沿垂直于［０１１］取向切取　　　　　金相试样，采用扫描电镜分析ＥＯｌ１］取向合金组织演　　　化特征。　　　图１薄壁试样尺寸　　　　—　　　Ｆｉｇ．１Ｓｉｚｅｏｆｔｈｉｎｗａｌｌｓｐｅｃｉｍｅｎ　　　　２．１实验结果　　　　　　　对Ｅｏ１１］取向ＤＤ６合金的原始数据处理后得到　　　７６０，９８０，１０７０￣Ｃ条件下ＤＤ６合金的薄壁持久极限（中　　　　值），如表１所示。　　　　　　表１薄壁试样的持久极限（中值）（ＭＰａ）　　　—　　　　Ｔａｂｌｅ１Ｓｔｒｅｓｓｒｕｐｔｕｒｅｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｔｈｉｎ－ｗａｌｌ　　　ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ（ｍｅｄｉａｎ）（ＭＰａ）　１０　５Ｏ　１００　２ＯＯ　　　　　　　　　将表１数据进行处理后，得到如下方程：　　　　—　（ａ）拉森一米勒持久方程（ＬＭ）：———　　ｌｇｔ一０．９７４０５７００．００７４６０６１７／Ｔ＋　　　　１４．８２６２７ｚ／Ｔ＋０．３３０５７２１ｘ／ｒ一１．２４３２４６ｘ。／Ｔ　（１）　　　　　　　　　　式中：ｔ为持久断裂时间；Ｔ一（９０／５＋３２）４－４６０；为摄　℃—　　　　　　氏温度（）；ｚｌｇａ；标准差为０．０２６８；相关系数为　　　　　０．９９３７。ＥＯｌ１］取向ＤＤ６合金不同温度的持久应力一　　　寿命曲线（中值）如图２所示。由图２可知合金持久性　℃　　　能按７６０，９８０，１０７０递减。　　　　　　　图２薄壁试样的持久应力一寿命曲线（中值）　　—　　　　—　Ｆｉｇ．２Ｓｔｒｅｓｓｒｕｐｔｕｒｅｌｉｆｅｃｕｒｖｅｓｏｆｔｈｉｎｗａｌｌ　ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ（ｍｅｄｉａｎ）　—　（ｂ）曼森一索克普持久热强参数综合方程（ＭＳ）：　　　　ｌｇａ一１．２２１５７２＋０．１８６４４４８Ｐ一　　０．０００３５５６８４７Ｐ。一０．０００３１９６９６１Ｐ。　（２）　—　式中：为应力；Ｐ为热强参数；Ｐｌｇｔ＋０．００７４６０６２Ｔ；　　　　　　℃　　　　Ｔ一（９ｏ／５＋３２）＋４６０；０为摄氏温度（）；标准差为　　０．１２９６；相关系数为０．９４４０。ＤＤ６合金的持久热强参数　　　综合曲线如图３所示。由图３可知合金持久性能随应　力增加而递减。　　ＤＤ６合金薄壁试样及标准试样的持久寿命如图４所　　℃　℃　示。由图４可知：与标准试样相比，７６０，９８０和１０７０薄　壁试样的持久寿命与之相当，无明显薄壁效应。　　　２．２显微组织　℃　℃　　图５为合金７６０／５９０ＭＰａ，９８０／２７０ＭＰａ及