表面处理对第二代单晶高温合金胞状再结晶的影响.pdf

　４２　　　材料工程／２０１１年８期　表面处理对第二代单晶高温合金　　　胞状再结晶的影响　　　　　　　ＥｆｆｅｃｔｓｏｆＳｕｒｆａｃｅＴｒｅａｔｍｅｎｔｏｎＣｅｌｌｕｌａｒＲｅｃｒｙｓｔａ１ｌｉｚａｔｉｏｎ　　—　　　　ｏｆａＳｅｃｏｎｄｇｅｎｅｒａｔｉｏｎＳｉｎｇｌｅＣｒｙｓｔａｌＳｕｐｅｒａｌｌｏｙ　　　魏文娟。，唐海军。，冯　强　　　　　　　　　　（１北京科技大学新金属材料国家重点实验室，北京１０００８３；　　　　　　　　　　　２北京科技大学国家材料服役安全科学中心，北京１０００８３；　　　　　　　　３中国民航科学技术研究院，北京１０００２８）　—　　　—　　’　ＷＥＩＷｅｎｊｕａｎ，ＴＡＮＧＨａｉｊｕｎ。，ＦＥＮＧＱｉａｎｇ　　　　　　　　　　　　　（１ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｆｏｒＡｄｖａｎｃｅｄＭｅｔａｌｓａｎｄＭａｔｅｒｉａｌｓ，ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄ　　　　　　　　ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｅｉｊｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８３，Ｃｈｉｎａ；２ＮａｔｉｏｎａｌＣｅｎｔｅｒｆｏｒＭａｔｅｒｉａｌｓＳｅｒｖｉｃｅ　　　　　　　Ｓａｆｅｔｙ，ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｅｉｊｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８３，Ｃｈｉｎａ；　　　　　　　　　　３ＣｈｉｎａＡｃａｄｅｍｙｏｆＣｉｖｉｌＡｖｉａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００２８，Ｃｈｉｎａ）　　　　　　　　　　摘要：对第二代镍基单晶高温合金进行表面处理并在１０００～１２００￣Ｃ保温，研究表面加工工艺和热处理条件对胞状再结　　　　　　　　　晶行为的影响。结果表明：磨削、吹砂、喷丸试样热处理后表面均发生了胞状再结晶，其生成厚度依次增加。喷丸试样经　　　　　　　　　１２００￣Ｃ／５０ｈ后胞状再结晶区厚度可达０．１ｍｍ，晶团之间及与基体之间存在取向差小于５。的小角晶界和３５～４５。的大角　　　　　　　晶界。热处理温度比保温时间对胞状再结晶区生长速率和最终厚度的影响更加显著。　　　　　　　　关键词：单晶高温合金；胞状再结晶；磨削；吹砂；喷丸　　　中图分类号：ＴＧ１３２．３２　　　文献标识码：Ａ　——　文章编号：１００１－４３８１（２０１１）０８００４２０６　　　　　　　　　　　　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｓｕｒｆａｃｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇａｎｄｈｅａｔｔｒｅａｔｍｅｎｔｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｎｃｅｌｌｕｌａｒｒｅｃｒｖｓｔａｌｎｚａｔｉｏｎ　　　　　　　　—　　　　　　　ｂｅｈａｖｉｏｒｓｗｅｒｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄｉｎａ２ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎＮｉｂａｓｅｓｉｎｇｌｅｃｒｙｓｔａｌｓｕｐｅｒａｌｌｏｙａｆｔｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｕｒｆａｃｅ　　　　　　—℃　　　　　　　　ｔｒｅａｔｍｅｎｔａｎｄｔｈｅｎｈｅａｔｔｒｅａｔｉｎｇａｔ１０００１２００ｕｎｄｅｒｖａｃｕｕｍｃｏｎｄｉｔｉｏｎ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｄｔｈａｔ　　　　　　　　　　　　　　　　—　ｔｈｅｃｅｌｌｕｌａｒｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｆｔｅｒｈｅａｔｔｒｅａｔｍｅｎｔｗａｓｏｂｓｅｒｖｅｄｉｎａｌｌｓｐｅｃｉｍｅｎｓａｎｄｔｈｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆｃｅｌ　　　　　　　　　　　　　ｌｕｌａｒｒｅｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎｚｏｎｅｉｎｃｒｅａｓｅｄｗｉｔｈｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｏｆｇｒｉｎｄｉｎｇ，ｇｒｉｔｂｌａｓｔｉｎｇａｎｄｓｈｏｔ　　　　　　　　　　　　　　　　ｐｅｎｎｉｎｇ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆｔｈｅｃｅｌｌｕｌａｒｌａｙｅｒｗａｓｕｐｔｏ０．１ｍｍｉｎｓｈｏｔｐｅｎｎｉｎｇｓａｍｐｌｅｓ　　　　　　　—　　　　　—　—　ａｆｔｅｒｈｅａｔｔｒｅａｔｉｎｇａｔ１２００￣Ｃｆｏｒ５０ｈ．Ａｎｄｌｏｗａｎｇｌｅｂｏｕｎｄａｒｉｅｓｌｏｗｅｒｔｈａｎ５。ａｎｄｈｉｇｈａｎｇｌｅｂｏｕｎｄａ　　　　　—　　　　　　　　　—　ｒｉｅｓｗｉｔｈｉｎｔｈｅｒａｎｇｅｏｆ３５４５。ｆｏｒｍｉｓｏｒｉｅｎｔｅｄａｎｇｌｅｓｅｘｉｓｔｅｄｎｏｔｏｎｌｙｂｅｔｗｅｅｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｅｌｌｕｌａｒｃｏｌｏ　　　　　　　　　　　　—　ｎｉｅｓ，ｂｕｔａｌｓｏｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｃｅｌｌｕｌａｒｒｅｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎｚｏｎｅａｎｄｔｈｅｓｕｂｓｔｒａｔｅ．Ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅｈｅａｔｔｒｅａｔ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　ｍｅｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｐｌａｙｅｄａｍｏｒｅｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｒｏｌｅｔｈａｎｔｈｅｈｏｌｄｉｎｇｔｉｍｅｉｎｔｈｅｃｈａｎｇｅｏｆｇｒｏｗｔｈｒａｔｅａｎｄ　　　　　　ｌａｙｅｒｔｈｉｃｋｎｅｓｓｆｏｒｔｈｅｃｅｌｌｕｌａｒｒｅｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ．　　　　　　　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｉｎｇｌｅｃｒｙｓｔａｌｓｕｐｅｒａｌｌｏｙ；ｃｅｌｌｕｌａｒｒｅｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ（ＣＲ）；ｇｒｉｎｄｉｎｇ；ｇｒｉｔｂｌａｓｔｉｎｇ；ｓｈｏｔｐｅｎｎｉｎｇ　镍基单晶高温合金涡轮叶片是先进航空发动机的　　关键热端部件口］。通过复杂的成分设计和工艺控制，　　镍基单晶高温合金已经发展到第五代＿２］，但我国的第二代单晶高温合金仍在发展阶段¨　３］。单晶叶片在整个　　　　　　　生产和使用过程中，常由于凝固收缩、吹砂、修形、机　　　　　　　　械加工等工序产生内应力而引起局部塑性形变，在　　　　　　随后的高温热处理或者使用过程中，形变区发生胞　　　　　　　　　状转变，也称不连续脱溶］，形成多个与基体存在　　　　　　“　　　”　取向差异的胞状晶团，因而被称作胞状再结晶。　　　　　　　　　　　　　　　　　　Ｂａｒｇｅｌ＿６等在对单晶高温合金表层胞状再结晶的研　　　　　　　　　　　　　　　　　究中发现，胞状再结晶会促进合金疲劳裂纹的产生。一　　　　　　　旦在工件的表层出现胞状再结晶，工件的疲劳寿　　　　　命就会明显下降＿７］。在先进发动机试车中也出现了　　　　由叶片表面再结晶引发的裂纹及其断裂故障］。目　　　前，对单晶高温合金的再结晶已有一些研究　，但　　　　　　　　是大部分研究都侧重于完全再结晶，对胞状再结晶　　　　　的研究还比较有限。　　　本工作对第二代镍基单晶高温合金经磨削、吹砂、　　　　表面处理对第二代单晶高温合金胞状再结晶的影响　４７　　　　　　　　　　　　　　　　　产生再结晶；而这种潜在的危险因素在服役前未能暴　　　　　　　　　　　　　露出来，其危害性更大。因此，更应认真重视并加以深　　　入研究。　　　４结论　　　　　　　　　　　　　　（１）单晶高温合金经磨削、吹砂和喷丸处理后，在　℃　　　　　　　　　　　（１０００￣１２００）／５０ｈ热处理中，表面都生成胞状再结　　　　　　　　　　　　　　　　　晶区，而基体内部未发现胞状再结晶。相同热处理条　　　　　　　　　　　　　　件下，磨削、吹砂和喷丸处理后试样生成的胞状再结晶　　　区厚度依次增大。１２００￣Ｃ／５０ｈ处理后，喷丸试样胞状　　　　　　　再结晶区的厚度可达０．１ｍｍ。　　　　　　　　（２）单晶高温合金胞状再结晶在高温热处理前　　　　　　　　　　　　　　　１０ｈ内生长迅速，２０ｈ后厚度变化不明显；热处理温度　　对胞状再结晶区最终厚度和增厚速率的影响比保温时　　　　　间的影响更加显著。　　　　　　　　　　　　　　　（３）胞状再结晶晶团形貌类似于铸态７－７共晶组　　　　　　织，但晶团成分与基体７－７成分无明显差别；胞状晶团　　　　　　　之间及与基体之间存在取向差小于５。的小角晶界和　　　　３５～４５。的大角晶界。　参考文献　　　　［１３陈荣章，李建华．铸造高温合金发展的回顾与展望ＥＪ］．航空材料　　—　学报，２０００，２０（１）：５５６１．　　　　　　　Ｅ２３胡壮麒，刘丽荣，金涛，等．镍基单晶高温合金的发展ＥＪ］．航空　—　发动机，２００５，３１（３）：１７．　　　　　　　　　　　—　［３］ＬＩＪＲ，ＺＨＯＮＧＺＧ，ＴＡＮＧＤｚ，ｅｔａ１．Ａｌｏｗ－ｃｏｓｔｓｅｃｏｎｄｇｅｎ　　　　　　—　ｅｒａｔｉｏｎｓｉｎｇｌｅｃｒｙｓｔａｌｓｕｐｅｒａｌｌｏｙＤＤ６ＥＡ］．ＰＯＬＬＯＣＫＴＭ，ＫＩＳ　　　　　　　ＳＩＮＧＥＲＲＤ，ＢＯＷＭＡＮＲＲ，ｅｔａ１．Ｓｕｐｅｒａｌｌｏｙｓ２０００［Ｃ］．　　　　　—　　Ｗａｒｒｅｎｄａｌｅ，ＰＡ，ＵＳＡ：ＴＭＳ，２０００．７７７７８３．　　　　　　　　　Ｉ－４］ＰＯＬＬＯＣＫＴＭ．Ｔｈｅｇｒｏｗｔｈａｎｄｅｌｅｖａｔｅｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｔａｂｉｌｉｔｙ　　　—　　　　ｏｆｈｉｇｈｒｅｆｒａｃｔｏｒｙｎｉｃｋｅｌｂａｓｅｓｉｎｇｌｅｃｒｙｓｔａｌｓ［－Ｊ］．ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅ　　—　　ａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＢ，１９９５，３２（３）：２５５２６６．　　　　　　　　　　　　　　厂５］ＷＡＩＳＴＯＮＷＳ，ＳＣＨＡＥＦＦＥＲＪＣ，ＭＵＲＰＨＹＷＨ．Ａｎｅｗ　　　　　——　ｔｙｐｅｏｆｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙｉｎｓｕｐｅｒａｌｌｏｙｓｓＲｚ［Ａ］．ＫＩＳ　　　　　　　　　ＳＩＮＧＥＲＲＤ，ＮＡＴＨＡＬＭＶ，ＤＥＹＥＤＪ，ｅｔａ１．Ｓｕｐｅｒａｌｌｏｙｓ　　　１９９６ＥＣ］．Ｗａｒｒｅｎｄａｌｅ，ＰＡ，ＵＳＡ：ＴＭＳ，１９９６．９１８．　　　　　　　　［６］ＢＵＲＧＥＬＲ，Ｐ０ＲＴＥＬＬＡＰＤ，ＰＲＥＵＨＳＪ．Ｒｅｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎｉｎ　　　　　　　　　　ｓｉｎｇｌｅｃｒｙｓｔａｌｓｏｆｎｉｃｋｅｌｂａｓｅｓｕｐｅｒａ１ｌ。ｙｓ［Ａ］．ＰＯＩＩＯＣＫＴＭ，　　　　　　　ＫＩＳＳＩＮＧＥＲＲＤ，ＢＯＷＭＡＮＲＲ，ｅｔａ１．Ｓｕｐｅｒａｌｌｏｙｓ２０００［ｃ］．　　　　—　　Ｗａｒｒｅｎｄａｌｅ，ＰＡ，ＵＳＡ：ＴＭＳ，２０００．２２９２３８．　　　　　　　　［７］ＯＫＡＺＡＫＩＭ，ＯＨＴＥＲＡ１，ＨＡＲＡＤＡＹ．Ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎｏｆｆａｔｉｇｕｅ　　　　　　　　　ｌｉｆｅｒｅｄｕｃｔｉｏｎｒｅｌａｔｉｎｇｔｏｃｅｌｌｕｌａｒｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｎｓｉｎｇｌｅｃｒｙｓｔａｌ—　　　　　　Ｎｉｂａｓｅｄｓｕｐｅｒａｌｌｏｙ，ＣＭＳＸ一４，ｓｕｂｊｅｃｔｅｄｔｏｐｒｅｖｉｏｕｓｌｏｃａｌｄａｍａｇｅ　　　　　　　　ｒＡ］．ＦＵＣＨＳＧＥ，ＪＡＭＥＳＡＷ，ＧＡＢＢＴ，ｅｔａ１．Ａｄｖａｎｃｅｄ　　　　　　ＭａｔｅｒｉａｌｓａｎｄＰｒｏｃｅｓｓｅｓｆｏｒＧａｓＴｕｒｂｉｎｅｓ［Ｃ］．Ｗａｒｒｅｎｄａｌｅ，ＰＡ，　　　　　　ＵＳＡ：ＴＭＳ，２００３．６３７３．　　　　　　　　　　—　［８］ＷＡＮＧＸ，ｚＨＯｕＨ，ＷＡＮＧｚＨ，ｅｔａ１．Ｆｒａｅｔａｌａｎａｌｙｓｉｓｏｆｃｙ　　　　　　　　　ｅｌｉｃｃｒｅｅｐｆｒａｃｔｕｒｅｄｓｕｒｆａｃｅｓｏｆｔｗｏｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｌｌｏｙｓ［Ｊ］．　　　　　　　—　—　ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＡ，１９９９，２６６（１２）：２５０　２５４．　　　　　　　　　　　［９］ＣＯＸＤＣ，Ｒ０ＥＢＵＣＫＢ，ＲＡＥＣＭＦ，ｅｔａ１．Ｒｅｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉ０ｎ０ｆ　　　　　　ｓｉｎｇｌｅｃｒｙｓｔａｌｓｕｐｅｒａｌｌｏｙＣＭＳＸ一４［Ｊ］．ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈ　　　ｎｏｌｏｇｙ，２００３，ｌ９（４）：４４０４４６．　　　　　　　　　［１Ｏ］李亚楠，何迪，李树索，等．Ｎｉ３Ａｌ基单晶合金ＩＣ６ｓｘ的表面再　—　结晶［Ｊ］．金属学报，２００８，４４（４）：３９１３９６．　　　　　　—　—　［１１］ＰＯＲＴＥＲＡ，ＲＡＬＰＨＢ．ＴｈｅｒｅｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎｏｆｎｉｃｋｅｌｂａｓｅＳＨ　　　—　ｐｅｒａｌｌｏｙｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅ，１９８１，１６（３）：７０７　７］３．　　　　　　　基金项目：国家自然科学基金资助项目（６０８７９００９，５１０７１０１６）；民航安　　　全技术分析和鉴定实验室开放研究基金资助项目（２００９００３）　　—　　——　收稿日期：２０１Ｏ一１２１７；修订日期：２０ｕＯ５２８　　　　　　　　作者简介：魏文娟（１９８４一），女，博士研究生，主要从事单晶高温合金研　　　　　　　　　　　　　　　究，联系地址：北京市海淀区学院路３Ｏ号北京科技大学２５７信箱—　　（１０００８３），Ｅｍａｉｌ：ｗｅｉｗｅｎｊｕａｎ２００８＠ｇｍａｉｌ．ｃｏｒｎ　　　　　　　　　通讯作者：冯强（１９６９一），男，教授，博导，联系地址：北京市海淀区学院　　　　　　　　　—路３０号北京科技大学国家材料服役安全科学中心（１０００８３），Ｅｍａｉｌ：　　　　ｑｆｅｎｇ＠ｓｋｉ．ｕｓｔｂ．ｅｄｕ．ａｎ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米　　３．５５万吨高能螺旋压力机ＩＩｌ￣，Ｎ投产　　　　２０１１年６月１１日，上海电气集团无锡透平叶片有限公司（ｗＴＢ）引进的３．５５万吨高能螺旋压力机顺利投产。　　　　３．５５万吨高能螺旋压力机是迄今为止全球最先进、最大规模的两台螺旋压力机之一，能够在与工件短暂的　　　接触中以巨大的打击力成形金属产品，最大打击力达到３５５００吨，其工艺结合了锻锤和液压机二者的优点，是实　　现电站长叶片和飞机、航空发动机的高性能特种钢、钛金属和镍基高温合金类结构产品的理想选择。与传统的螺　　　　　　　　旋压力机相比，这台设备采用的新型离合器不仅使压力机成形能量显著增加，还可减少８７左右的能源消耗，是　””　　　　　　　　名副其实的高效高能装备。这台压力机的冲击速度在０．２５～０．５ｍ／ｓ之间可调、锻造行程可控、打击能量可　　　　变；与以往的锻锤和液压机相比，可生产冶金质量更优、组织性能更均匀、尺寸更精确的大型整体锻件。该设备配　　　　　　　以３１５０吨自由锻压力机、８ｍ天然气转底炉和多台大容量电炉，使得ＷＴＢ的锻造生产能力得到很大提升，产品　　　　　生产服务范围得到扩大，能够灵活地满足核电、燃机、航空、航天、军工领域不断发展的需求。