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SEBM制備CMSX-4單晶高溫合金中拓撲密排相的形成

科研前沿
2020
12/18
10:24
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供稿人:徐文梁 魯中良 供稿單位:機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室 

鎳基單晶高溫合金在高溫條件下具有優(yōu)越力學性能和抗氧化腐蝕性能,常用于制造航空發(fā)動機的渦輪葉片。合金材料需要在高溫下長期服役,其組織穩(wěn)定性是相關研究領域的重點。在高溫環(huán)境下,合金的相穩(wěn)定性會降低,并可能形成有害相,如拓撲密排相(TCP相),嚴重損害葉片的使用壽命。

在鎳基單晶高溫合金零件的傳統(tǒng)定向凝固鑄造成形過程中,由于凝固過程緩慢,存在強烈的枝晶偏析,形成的一次枝晶臂間距(PDAS)通常約200~400 μm,且鎢、錸等元素常常嚴重偏析于枝晶干。同時,通過后續(xù)的熱處理,依然很難使得鑄件內(nèi)合金成分均勻。當采用新型的選區(qū)電子束熔化(SEBM)成形鎳基高溫合金時,可將PDAS大幅減少至15 μm左右,且通過熱處理后,可完全消除枝晶偏析。由于TCP相的形成顯著依賴于局部合金成分,因此,通過傳統(tǒng)鑄造和SEBM制備的材料中TCP相形成的傾向性預計會有很大差異。

德國埃爾朗根-紐倫堡大學大學的研究人員利用SEBM工藝制備了單晶高溫合金(CMSX-4)試樣,并與鑄造獲得的試樣進行了對比,研究了微觀組織對TCP相形成的影響。實驗結果表明:SEBM工藝的元素偏析程度較鑄造顯著降低,經(jīng)過熱處理后,強偏析元素錸在組織中分布的非常均勻,如圖1所示。同時,對不同狀態(tài)的組織進行高溫下組織穩(wěn)定性實驗研究發(fā)現(xiàn),SEBM態(tài)、SEBM后熱處理態(tài)、鑄態(tài),這三種不同組織狀態(tài)的試樣表現(xiàn)出不同的TCP相析出特點。在870℃保溫120小時后,SEBM態(tài)組織中未發(fā)現(xiàn)新生TCP相;而在SEBM后熱處理態(tài)和鑄態(tài)組織中均發(fā)現(xiàn)少量。在2050℃保溫120小時后,三種組織中均出現(xiàn)了TCP相,但鑄態(tài)組織中僅出現(xiàn)在枝晶干區(qū)域,而其他兩種組織中該相分布相對較均勻,如圖2所示。該研究指出,錸元素的強烈偏析特性造成鑄態(tài)組織中枝晶干富集錸,且達到了TCP相形成的成分要求,而在SEBM制備的試樣中,合金成分較為均勻,因此TCP相并不會出現(xiàn)僅在特定區(qū)域析出的現(xiàn)象。

圖1 SEBM工藝和經(jīng)熱處理后錸元素分布(電子探針)以及溶質分配與固相分數(shù)的關系
圖2 不同實驗條件下SEBM(左)、SEBM后熱處理態(tài)(中)、鑄態(tài)(右)的微觀組織
參考文獻:
J. Pistor, C. Körner. Formation of topologically closed packed phases within CMSX-4 single crystals produced by additive manufacturing[J]. Materials Letters X, 2019, 1: 100003.


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