镍基高温合金制备中选晶行为的研究(2)
在航空工业中，发动机工作效率的不断改进与提高发动机的温度热容同步进行，航空发动机的发展历史，可以简单的描述为不断提高航空发动机推力和涡轮前进口温度的历史[3]。发动机每升高5℃，可增加发动机功率1.3%和热效率0.4%。近五十年代典型的发动机为JT3D推力为7450kg，涡轮前进口温度为889℃，70年代F100发动机的推力为11340kg，涡轮前进口温度为1310℃，而80年代的一些有特色发动机涡轮前进口温度已高达1430℃[4]。发动机工作效率的不断提高，伴随着发动机温度容量的不断提高而提高，因而要求发动机叶片材料有更高的承温能力[5]。镍基高温合金经历了近60年的发展历程，已经研制出一系列具有优良性能的高温合金，例如：耐腐蚀、抗高温蠕变、高屈服强度和断裂韧性等高温合金，几乎所有合金都是在Ni-Al-Cr-Ti 系沉淀强化型合金的基础上发展进化而来的[6]。在普通多晶铸造合金中，晶界处杂质较多，原子排列不规则，成为合金高温服役过程中的薄弱环节，而与应力轴垂直的晶界是合金高温变形的主要裂纹源[7,8]。因此设法消除与应力轴垂直的横向晶界，可较大幅度提高合金的高温力学性能。基于这种想法发展了定向凝固技术。
定向凝固技术的出现，不仅提高了高温合金的蠕变性能，而且也极大的提高了热疲劳性能[9]。但是采用定向凝固技术制备的柱状晶结构合金，在高温服役的过程中，裂纹优先出现在纵向晶界处仍是限制合金持久寿命的薄弱环节。人们在研究定向凝固技术的同时，也在研究另一种新型的技术，即：单晶制备技术。单晶的特点是无晶界，不存在高温晶界弱化、纵向晶界裂纹等问题[10,11]。而且单晶的合金化特点是不需要加入晶界强化元素，合金成分简单，还可较大幅度地提高合金的初熔温度，可采用更高的固溶处理温度，有效的调整γ′强化相的形貌、体积分数和尺寸分布，与铸造和定向凝固合金比较，单晶合金具有更高的抗热疲劳、机械疲劳、抗氧化及抗蠕变性能，显著提高了高温合金的工作温度，提高了工件的承温能力，可以使工件在高的温度下正常工作。因而，随着航空航天工业的迅猛发展，单晶合金必将取代现有合金，成为航空发动机叶片的最佳使用材料。国内外各时期高温合金的承温能力[12]如图1.1所示。
图 1.1 中、美、英各时期的典型铸造高温合金及性能水平
1.2 镍基单晶合金发展概述
（1）第一代合金
第一代单晶合金以 PWA公司的PWA1480[11]作为典型代表，它与定向凝固合金相比，除去了晶界强化元素，而添加了大量的高熔点元素Ta等，使合金的初熔温度和蠕变强度得到了大幅度地提高。随后，美国的Canon-Muskegon公司、通用电气公司及英国的罗罗公司又相继分别研究出了具有较好综合性能的CMSX-2、René N4和 SRR99[12]。从表1.1可以看出，第一代镍基高温合金中主要添加了Cr, Co, Mo, W, Al, Ti, Ta等元素，部分还加入Nb或V。经过40年的研究与探索这些合金元素对高温合金性能的影响已被清楚的了解。
W和Mo加入镍中，可提高原子间的结合力，提高扩散激活能，降低扩散速度。同时提高再结晶温度，从而提高合金的热强性能[13]。通常合金元素加入 Ni后都使合金的熔点下降，但是W加入后不仅不降低Ni-W合金的熔点，而且还有所增加。此外，W和Mo还能不同程度的进入到γ’相中，同时降低Al和Ti等在Ni中的溶解度，因此合金中添加W和Mo能使γ'相的数量增加，热稳定提高。但W和Mo也有不利的影响，如促进TCP相的形成[14]，并提高合金的密度，同时对高温合金的抗氧化和抗热腐蚀性能不利。