供稿人:徐文梁 魯中良 供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 發(fā)布日期：2020-11-02
鎳基單晶高溫合金在高溫條件下具有優(yōu)越力學(xué)性能和抗氧化腐蝕性能，常用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪葉片。合金材料需要在高溫下長(zhǎng)期服役，其組織穩(wěn)定性是相關(guān)研究領(lǐng)域的重點(diǎn)。在高溫環(huán)境下，合金的相穩(wěn)定性會(huì)降低，并可能形成有害相，如拓?fù)涿芘畔啵═CP相），嚴(yán)重?fù)p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(guò)程中，由于凝固過(guò)程緩慢，存在強(qiáng)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(yán)重偏析于枝晶干。同時(shí)，通過(guò)后續(xù)的熱處理，依然很難使得鑄件內(nèi)合金成分均勻。當(dāng)采用新型的選區(qū)電子束熔化（SEBM）成形鎳基高溫合金時(shí)，可將PDAS大幅減少至15 μm左右，且通過(guò)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(guò)傳統(tǒng)鑄造和SEBM制備的材料中TCP相形成的傾向性預(yù)計(jì)會(huì)有很大差異。
德國(guó)埃爾朗根-紐倫堡大學(xué)大學(xué)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(jìn)行了對(duì)比，研究了微觀組織對(duì)TCP相形成的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：SEBM工藝的元素偏析程度較鑄造顯著降低，經(jīng)過(guò)熱處理后，強(qiáng)偏析元素錸在組織中分布的非常均勻，如圖1所示。同時(shí)，對(duì)不同狀態(tài)的組織進(jìn)行高溫下組織穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)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(diǎn)。在870℃保溫120小時(shí)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(shí)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(duì)較均勻，如圖2所示。該研究指出，錸元素的強(qiáng)烈偏析特性造成鑄態(tài)組織中枝晶干富集錸，且達(dá)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(huì)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(zhì)分配與固相分?jǐn)?shù)的關(guān)系
圖2 不同實(shí)驗(yàn)條件下SEBM（左）、SEBM后熱處理態(tài)（中）、鑄態(tài)（右）的微觀組織