含铼单晶高温合金拓扑密排相析出与凝固过程的相关性

The advanced Ni-base single-crystal superalloys have been characterized by the addition of Re. However, the Re-containing single-crystal superalloys are more prone to precipitate the detrimental topologically close-packed phase (TCP) during long time service, resulting in the worse high temperature mechanical properties. Directional solidification is an important process to control the microstructure of Ni-base single-crystal superalloys, but solidification is commonly believed to have negligible influence on the precipitation of TCP phases. In fact, the severe solidification segregation of Re-containing single-crystal superalloys is difficult to be removed by homogenization heat treatments, which leads to the deteriorated local microstructural stability and precipitation of TCP phases. In this proposal, the Re-containing Ni-base single-crystal superalloy with varied microstructure and segregation will be prepared with the different solidification parameters, followed by long time thermal exposure. With emphasis on the distribution and diffusion behavior of Re in the local area, we will reveal the influencing mechanism of solute distribution between γ and γ’ phases, rafting of γ’ phase, and decomposition of MC carbide on the local microstructural stability. Furthermore, the local precipitation mechanism of TCP phases will be clarified. Finally, the relationship between the local precipitation of TCP phases and solidification process will be obtained, to provide the theoretical foundation and technical support to optimize the solidification process for advanced Ni-base single-crystal superalloys.

添加铼（Re）已成为先进镍基单晶高温合金的重要成分特征，但是含Re合金在长期使用过程中易析出有害的拓扑密排相（TCP相），严重影响其高温力学性能。定向凝固是调控单晶高温合金微观组织的重要手段，但通常认为凝固与TCP相析出并无直接联系。事实上，含Re合金的凝固偏析严重，且难以通过均匀化热处理消除，往往会造成合金的局部组织稳定性降低，并促进TCP相的析出。为此，本项目将针对含Re单晶高温合金，通过改变定向凝固工艺参数，制备具有不同凝固组织特征和偏析程度的单晶样品，并对其进行长期热暴露实验。以不同区域Re的分布特性和扩散行为为切入点，揭示溶质在γ /γ'相间分配、γ'相筏形化、MC型碳化物分解等因素对局部组织稳定性的影响规律，阐明局部TCP相的析出机理，最终建立含Re单晶高温合金TCP相析出和凝固过程之间的联系，为先进单晶高温合金的定向凝固工艺优化提供理论依据和技术支撑。

添加铼（Re）是先进单晶高温合金的重要成分特征，但是Re的加入会导致合金组织稳定性降低，在长期使用过程中易析出有害的拓扑密排相（TCP相）。本项目以含Re单晶高温合金为研究对象，系统考察了合金的凝固特性和相析出行为，在此基础上通过液态金属冷却法制备了具有不同组织尺度的铸态试棒。通过优化的热处理工艺，考察了固溶处理后残余偏析的分布及程度，并就其对TCP相析出的影响机理进行了讨论。研究发现：（1）在凝固过程中Re和W等难熔元素严重的偏析于枝晶干区域，而Al和Ta等元素偏析于枝晶间区域形成共晶；在高温度梯度条件下，随着抽拉速率的增加，树枝晶组织得到了显著细化，同时凝固偏析也得到了一定程度上的降低；（2）通过金相法发现，合金的初熔温度介于1350-1360℃，通过分步固溶热处理，合金组织均匀性明显提高，但是其凝固偏析仍难以完全消除，特别是对于具有低扩散系数的Re元素，其固溶处理后的残余偏析仍比较明显；（3）固溶及时效热处理后，发现Re、W、Mo、Co、Cr元素偏析于γ基体中，且偏析程度Re>Cr>Mo>Co>W；而Ni、Al、Ta、Hf等元素偏析于γ’相中，偏析程度Ta>Al>Hf >Ni. 特别是Re元素，强烈的偏析于γ基体中，其偏析系数可达16.4. （4）经过1100℃长期时效热处理后，随着时间的延长，γ’筏形化明显，TCP相析出倾向也明显增加，其中细枝晶样品的TCP相析出倾向最为明显，这主要是由于枝晶干区域Re、W、Cr和Mo等元素的残余偏析所导致；（5）对于给定成分的高代次单晶高温合金，尽管LMC技术可以降低凝固偏析，但是热处理制度是影响合金组织稳定性的决定性因素，残余偏析将促进局部区域TCP相的析出。本项目的实施可为先进镍基单晶高温合金的成分设计和热处理制度优化提供理论依据和技术参考。