探索适用于低成本、低密度第三代镍基单晶超级合金的合适的解决方案处理机制

《Intermetallics》：Exploring a suitable solution treatment mechanism for a low-cost, low-density third-generation nickel-based single-crystal superalloy

　　

摘要

本研究的目的是确定含有3%铷（Re）元素的第三代镍基单晶超级合金的适宜溶质处理温度和持续时间。通过起始熔化实验，确定最大溶质处理温度为1335℃。在一系列溶质处理时间中，8小时被确定为最佳处理时间，并将传统的两步溶质处理工艺（1325℃/4小时 + 1335℃/4小时交流电）优化为三步溶质处理工艺（1320℃/1小时 + 1325℃/3小时 + 1335℃/4小时交流电）。从微观结构演变的角度来看，虽然新的工艺引入了少量均匀化孔隙，但元素均匀化效果显著提高。我们还研究了这两种工艺对1120℃/137MPa条件下蠕变性能的影响。在位错网络的稳定性和致密性方面，新工艺优于传统工艺。在蠕变后期，超位错a<110>和a<010>共同剪切γ′沉淀物，导致蠕变速率迅速增加，直至超级合金断裂。

引言

航空航天工业广泛使用镍基单晶（SX）超级合金，因为它们具有优异的微观结构稳定性和高温机械性能[[1], [2], [3]]。为了满足现代发展的需求，SX超级合金需要在保持高温机械性能的同时，降低成本和密度。现有研究表明，添加铷（Re）、钌（Ru）、钨（W）和钼（Mo）等难熔元素可以作为位错钉扎位点，从而赋予超级合金出色的机械性能[[4], [5], [6]]。典型的第三代镍基SX超级合金含有约6wt%的铷。研究发现，铷可以抑制γ′沉淀物的粗化，有利于促进规则的γ′筏状结构的形成[7]。然而，铷也有几个显著的缺点：其密度高，地壳丰度低，导致原材料成本高昂；此外，铷会加速有害的拓扑紧密结合（TCP）相的沉淀[4,8]。在这项研究中，开发了一种含有3wt%铷的第三代SX超级合金。与传统商用第三代SX超级合金相比，这种合金的材料成本降低了约40%。通过阿基米德排水法测量，其室温密度为8.75 g/cm3，低于经典的第三代合金René N6（5.4wt%铷，8.89 g/cm3）和CMSX-10（6.0wt%铷，9.05 g/cm3），因此具有低密度优势[9]。同时，其耐温能力比第一代SX超级合金提高了约60℃，满足了第三代镍基SX超级合金的服务温度要求[2,4]。

SX超级合金主要由无序固溶体γ基体和L1?有序的γ′沉淀物组成，这使其在高温下具有较高的抗蠕变能力和一定的强度[10]。在化学成分固定的SX超级合金中，我们可以通过热处理调节微观结构，从而改善其机械性能。大量研究表明，γ′沉淀物的最佳体积分数（65-70%）和平均尺寸（0.3-0.5 μm）共同决定了合金的最大抗蠕变强度[11,12]。溶质热处理可以有效减轻铸件内部的元素偏析，并优化γ′沉淀物的关键微观特征。然而，在溶质处理过程中产生的溶质孔隙是不可避免的。梁等人[13]研究了两步溶质处理时间对新型第四代SX超级合金的影响。随着处理时间的延长，蠕变寿命的改善存在一个临界值，这一临界值源于微孔等缺陷的引入。这些缺陷在合金变形过程中引发应力集中，从而降低其蠕变断裂寿命。夏等人[14]探讨了两步溶质处理时间对第二代SX超级合金蠕变性能的影响，结果表明，影响蠕变性能的主要因素是由于残留偏析导致的枝晶交叉（DC）区域和枝晶间（ID）区域微观结构的不同演变。制定适当的热处理方案可以防止ID区域在较高局部应变率下产生微裂纹，从而避免超级合金过早断裂。阿巴斯等人[15]发现，延长两步溶质处理时间可以减少DC区域和ID区域之间的成分差异。随着热处理时间的增加，γ′沉淀物逐渐增加，直至铝（Al）和钽（Ta）的浓度达到平衡。

迄今为止，大多数研究集中在溶质处理温度和持续时间对蠕变性能的影响上[13,16,17]。然而，很少有研究探讨多步热处理对蠕变性能的影响。实际上，多步热处理可以更好地促进成分均匀化，并更有效地调整γ′沉淀物的体积分数和尺寸。但多步热处理可能导致孔隙率增加，这是因为在多步热处理过程中，直流区（DC）中扩散缓慢的难熔元素难以填充ID共晶区铝和钽迁移产生的空位[18]。如果能够优化工艺，最小化孔隙的形成并将孔隙率控制在可接受范围内，蠕变性能将在一定程度上得到改善。

因此，我们探索了适宜的溶质处理温度和持续时间，并将传统的两步溶质处理工艺改为三步工艺。通过逐步溶质处理，首先使合金均匀化，然后再进行高温溶质处理，从而显著提高其起始熔化温度。我们比较了在1120℃/137MPa条件下两种处理工艺的蠕变性能。实验结果表明，经过适当的三步溶质处理后的试样蠕变性能优于两步处理工艺。我们检查了组织演变、断裂情况，并研究了该条件下的蠕变变形机制。

部分摘录

材料与实验程序

本研究使用的材料是一种第三代镍基SC超级合金，其化学成分列于表1中。称量表中列出的元素质量并准备好后，使用ZG-0.01真空感应炉进行真空铸造，将纯金属原料熔化为母合金。通过高温梯度下的晶体选择方法制备了Ф16×220mm的单根棒材。

铸态及热处理机制

由于SX超级合金中掺入了大量难熔元素，在凝固过程中会发生成分的不均匀扩散，导致铸态合金出现严重的偏析[19,20]。图2显示了OM下的铸态合金金相扫描图像，可以清晰地看到DC区和ID区，ID区存在大量共晶结构。ID区中的γ′沉淀物尺寸和体积明显大于DC区。

结论

对含有3wt%铷的SX超级合金的热处理机制的研究表明，优化的多步热处理可以有效改善其蠕变性能。由于该合金仍处于开发初期，其蠕变性能仍有很大的改进空间，因此需要在包括中等温度高应力（760℃/800MPa）和高温中等应力（980℃）等多种条件下进行系统的蠕变测试。

CRediT作者贡献声明

杨松：写作——审稿与编辑，原始稿撰写，方法学，研究，数据整理，概念化。董淑琳：写作——审稿与编辑，监督，资源获取。李永梅：可视化，验证。王新光：验证，监督。娜荣义：监督，软件。谭志豪：方法学，研究。梁朝阳：方法学，研究。曲永东：可视化，验证，软件，资源。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本研究得到了辽宁省自然科学基金（2024-MSLH-365）、辽宁省科技重大项目（2024JH1/11700035）和国家级先进铸造技术重点实验室（CAT2023-008）的资助。

杨松|董淑琳|李永梅|王新光|娜荣义|谭志豪|梁朝阳|曲永东

沈阳工业大学材料科学与工程学院，沈阳，110870，中国