史振学 ， 刘世忠 ， 岳晓岱 ， 王志成

（中国航发北京航空材料研究院 先进高温结构材料重点实验室，北京 100095）

0 引言

镍基单晶高温合金消除了晶界，其承温能力显著提高，具有优异的综合性能，为目前制造先进航空发动机和地面燃机涡轮叶片的候选材料[1-3]。单晶高温合金主要有γ′强化相和基体γ 相组成。γ′相是高温合金的主要强化相，是以Ni3Al 为基的金属间化合物，其体积分数、形状和尺寸都会影响合金的性能。单晶高温合金之所以在高温下保持高强度，主要依靠大量合金元素的固溶强化作用以及γ′的沉淀强化作用。合金元素含量不断增加，一方面提高了单晶高温合金的高温强度和承温能力，另一方面容易使合金在长期高温服役时析出TCP 相[4-5]，降低了合金高温组织稳定性，恶化合金的力学性能[6-7]。随着单晶高温合金的研究发展，研究人员发现，Ru 元素能够改变TCP 相形成元素在γ 相与γ′相的分配比，减少了基体γ 相中难熔元素的过饱和程度，能够抑制或减少合金高温下TCP 相的析出[8-9]；因此，为了提高合金的组织稳定性，第四代单晶高温合金中都有一定含量的Ru 元素[2,10]，如法国研制的第四代单晶高温合金MC-NG 和美国的第四代单晶高温合金EPM-102。为满足新一代航空发动机涡轮叶片高承温能力的需求，我国研制了第四代单晶高温合金DD15，该合金具有良好的拉伸性能、持久性能、蠕变性能和铸造工艺性能，1100 ℃/140 MPa 的持久性能优于美国的EPM-102 合金。

组织稳定性是每个合金研制的重要技术指标之一，受到了国内外合金研制者的广泛关注。多数文献是将合金长期在高温下保温一定时间，以模拟叶片的服役状态来评价单晶高温合金的组织稳定性。本研究将第四代单晶高温合金DD15 在980 ℃下进行不同时间的长期时效，观察其显微组织，为合金的研制和应用提供科学依据和工程应用基础。

1 实验材料及方法

实验所用材料为Ni-Cr-Co-Mo-W-Ta-Nb-Re-Ru-Al-Hf-C 系镍基第四代单晶高温合金DD15，合金的化学成分见表1。采用选晶法在真空高梯度定向凝固炉中制备单晶高温合金试棒。用X 射线极图分析法测试单晶试棒的晶体取向偏离度，选取偏离[001]取向15°以内单晶试棒进行长期时效实验。标准热处理后，在980 ℃分别时效400、800、1200、1600、2000 h。采用线切割机切取金相试 样，化 学 腐 蚀 剂 为HCl(10 mL)+CuSO4(2 g)+H2O(15 mL)+H2SO4(1 mL)，用扫描电镜研究合金的热处理组织、不同时间的长期时效组织，利用Image 专业图像处理软件对γ′相尺寸进行定量表征。

表 1 DD15 合金的化学成分（质量分数 /%）Table 1 Nominal chemical composition of DD15 alloy (mass fraction /%)

2 实验结果及分析

图1 为DD15 合金完全热处理后的枝晶干和枝晶间组织。合金在固溶处理过程中，枝晶间的共晶组织和粗大的γ′相几乎全部溶解，获得单相的γ 组织，快速冷却过程中从γ 相中沉淀析出大量的γ′相，再经过一次时效与二次时效处理，获得立方化较好的γ′相组织。由枝晶干与枝晶间的组织对比看出，合金枝晶干比枝晶间的γ′相立方化程度较好，枝晶干的γ′相比枝晶间γ′相尺寸较小。

图2 分别为合金在980 ℃时效400、1200、2000 h 的显微组织。由图2 可以看出：时效时间为400 h 时，γ′相未见明显长大，仍保持立方形状，未见TCP 相析出；随着时效时间增加，γ′相尺寸增加；时效时间为1600 h 时，未有TCP 相析出；时效时间为2000 h 时，γ′相仍保持立方形状，枝晶干有极少量TCP 相析出（图3）。随着时效时间增加，基体通道的宽度增加。合金具有良好的组织稳定性。对合金析出的TCP 相进行能谱分析，结果见表2，可见析出相中含有较多的Re、W、Co等元素。

图 1 DD15 合金热处理组织Fig.1 Microstructure of DD15 alloy after full heat treatment

图 2 DD15 合金980 ℃长期时效不同时间的显微组织Fig.2 Microstructure of DD15 alloy after long term aging at 980 ℃ for different times

图 3 合金980 ℃长期时效2000 h 析出的TCP 相Fig.3 TCP precipitates in the alloy after long term aging at 980 ℃ for 2000 h

表 2 合金980 ℃长期时效2000 h 析出TCP 相的化学成分（质量分数 /%）Table 2 Chemical composition of TCP phase in the alloy after long term aging at 980 ℃ for 2000 h (mass fraction /%)

在长期高温状态下，尺寸较大的γ′相长大，尺寸较小的γ′相逐渐溶解，其长大规律遵循LSW 粗化理论[11]：

式中：rt为沉淀粒子在时效后的平均半径；r0为沉淀粒子在时效前的平均半径；K 为与时效温度有关的系数；t 为时效时间。对于立方形沉淀，r 等于立方形沉淀粒子边长a 的1/2。通过测量合金不同时效时间的γ′相尺寸，并对 ()与t 关系作图，结果见图4。由图可以看出，其基本呈现线性关系。

图 4 时效时间对DD15 合金的γ′相尺寸的影响Fig.4 Effect of aging time on the size of γ′ phase of DD15 alloy

合金经热处理后，γ′相呈立方状规整分布，γ′相与γ 基体保持共格关系，(001)晶面中[100]方向具有较低的弹性模量，沿[100]方向具有较大的弹性应力梯度；因此，(001)晶面的γ/γ′两相界面在[100]方向具有比其他晶向较高的弹性应变能，在弹性应变能和界面能的共同作用下，时效过程中γ′相沿[100]方向长大[12]。γ′相长大是受合金元素扩散控制的过程。980 ℃长期时效时，由于温度不高，合金元素扩散速率较慢，界面能降低幅度不大，因而γ′相长大速率也比较慢。同时，由于第四代单晶高温合金含有较多的Re、W、Ta、Mo、Nb等高熔点元素，能够抑制元素扩散，增加了γ′相长大激活能，使γ′相具有较好的稳定性。

合金中TCP 相的析出主要是因为γ 相中Re、W、Mo 等元素过饱和引起的[13]。单晶高温合金以枝晶方式生长凝固时，由于存在枝晶偏析，枝晶间含有较多的Hf、Al、Ta 等正偏析元素，枝晶干含有较多的Re、W、Mo 等负偏析元素；合金完全热处理后，枝晶偏析不能够完全消除，枝晶干仍含有较多的Re、W、Mo 等负偏析元素[14]；因此，TCP 相优先在合金的枝晶干析出。TCP 相沿着一定的方向析出，和基体存在一定的取向关系。文献[15]指出TCP 相的晶体结构复杂，单个晶胞的尺寸比γ′相或γ 基体的晶胞都大，因此在单晶高温合金中TCP 相的形核有很多障碍；而TCP 相若析出时也会沿原子密排的晶面析出，与基体存在一定的取向关系[16]。Ru 能够降低γ 相中Re、W、Mo 等元素过饱和度，从而可以抑制TCP 的析出[8-9]；因此，Ru 为第四代单晶高温合金的标志性元素，如典型的第四代单晶高温合金EPM-102[2]、MC-NG[10]，Ru 含量分别为3%、4%。由于DD15 合金中含有Ru 元素，长期时效过程中能够抑制TCP 相的析出，使合金具有良好的组织稳定性。

3 结论

1）DD15 合金在980 ℃时效过程中，随着时效时间增加，γ′相长大，仍保持立方形状，基体通道的宽度增加。

2）在时效时间为1600 h 及其以下时，未有TCP 相析出。时效时间为2000 h 时，析出极少量TCP 相，合金在980 ℃长期时效条件下具有良好的组织稳定性。

3）DD15 合金中较多的Re、W、Ta、Mo、Nb等高熔点元素能够抑制γ′相长大，Ru 元素能够抑制TCP 相的析出，合金具有良好的组织稳定性。