单晶高温拉伸功能影响

随着发动机推力和效率的不断提高，发动机涡轮进口温度不断上升，这需要具有更高性能的叶片材料。镍基单晶高温合金是航空发动机涡轮叶片用主要材料，Ru是第四代镍基单晶高温合金的标志性元素，但Ru在单晶高温合金中的作用还存在较大的争议［1－3］。大量的研究表明加入Ru能够提高合金的蠕变持久性能［4－6］，然而，Zhang［7］等的研究表明Ru不能像Re一样独立的提高蠕变性能，而是Ru通过增强合金的组织稳定性，减少有害的TCP析出而起的强化作用。拉伸性能是表征单晶高温合金性能重要力学指标。由于高温合金的多组元带来的复杂性，Ru的加入必然会对高温合金的力学性能产生深刻影响。Yeh［8］等研究了Re，Ru对合金流变应力的影响，结果表明加入Re和Ru对γ，γ′均有一定的强化作用，从而提高了合金的流变应力，其中Re比Ru的效果更明显。Wang［9］等的模拟计算表明，Ru和Re占Al位。择优滑移方向是（100）［110］。Re和Ru都能增大两相界面的共格结合强度，但Re更有效。Ru和Re都有利于合金的塑性。本工作通过对不同Ru含量单晶高温合金拉伸性能及断口形貌的分析，研究了Ru对单晶高温合金力学性能的影响规律及机理。

1实验材料和方法

1．1原料及制备实验材料为三种不同Ru含量的含Re镍基单晶高温合金，含Ru质量分数分别为0％，1．5％，3％。母合金经ZG－0．01型真空感应炉熔炼。不同成分的单晶高温合金是在ZGG－0．002真空高梯度单晶炉上制备的。试棒尺寸为15mm×75mm。三种合金的铸态试棒在经过相应的固溶处理后，进行1150℃／4h的一次时效和870℃／24h的二次时效处理，利用S3400N扫描电子显微镜对不同合金热处理后的微观组织进行观察。热处理后的样品，加工成拉伸标准试样，用于测定合金的拉伸性能。拉伸实验在岛津AG－25KNE型电子拉伸实验机上进行，实验温度为900℃，横梁速率保持0．3mm／min直至断裂（应变速率为3．3×10－4s－1）。拉伸断口形貌及变形组织在S3400N型扫描电镜和透射电镜下观察和分析。

2实验结果和分析

2．1Ru对热处理态组织的影响三种合金在相应热处理后的显微组织如图1所示。γ′相形貌总体规律如下：三种合金在时效温度处理后γ′相基本都呈立方体形态，γ′相尺寸都是随Ru含量的增加而降低。不含Ru的0Ru合金的γ′相的边长大约为400～450nm，1．5Ru合金的γ′相尺寸在300nm左右，3Ru合金的γ′相在250nm左右，立方度都较好。

2．2Ru对拉伸性能的影响

2．2．1拉伸行为三种合金在900℃下拉伸条件下的应力应变曲线如图2所示。可以看出在900℃拉伸条件下，三种合金的屈服强度随Ru含量的增加而略有提高。三种合金在屈服后拉伸应力略有增加，产生轻微的加工硬化。三种合金的拉伸性能数据见表1。可以看出在900℃下，三种合金屈服强度和抗拉强度都随Ru含量增加而增大；三种合金的伸长率和断面收缩率大致相当，都表现出较好的塑性。

2．2．2断口形貌图3是三种合金试样在900℃拉伸条件下的断裂后的试样照片，可以看出三种合金的断裂表面均为较光滑斜面，其断口呈锋利的楔形，断裂面的法线方向与应力方向大约成50～60°夹角，由此可确定断裂面即是面心立方晶体的｛111｝滑移面，这是沿滑移面的分离剪切断裂。拉伸断裂试样的横截面都呈比较明显的椭圆度。这是单晶合金的各向异性造成的。三种合金断口进行比较可以看出0Ru合金在局部边缘已经形成了比较明显的韧窝状断口，出现了由解理状断面向韧窝状断面突然过渡的现象，断裂面不是非常平整光滑，3Ru合金的断面最光滑平整。可见Ru的加入提高了合金的高温强度。扫描电镜下观察三种合金的断面如图4所示都呈平面状，平面上偶尔存在一些孔洞，孔洞为合金中的预存孔洞或在拉伸过程中预存孔洞扩大形成的，断口上的孔洞对断裂面的走向没有影响，整个断裂过程呈现出瞬间滑断的特点。放大到500倍后能观察到微观的表面起伏。放大到5000倍后在断口表面均匀分布着更微观的表面起伏，每个小坑或者小包的尺寸大致在400～500nm左右，与合金中的γ′相尺寸一致。这种断口与文献［10］中的断口明显不同，没有观察到微孔聚集型断裂特征。

2．2．3断裂试样的TEM组织观察图5显示了三种合金在900℃下拉伸断裂后的位错特征，可见，γ′相仍为立方体形貌，γ′内没有出现层错条纹，即位错切割γ′的过程为反相畴界模式。γ′内的位错变得扭曲混乱，见图4（a），位错平行排列的规则程度显著下降。只有3Ru合金γ′内的位错尚保持一定程度的平行排列。这表明900℃时，位错的线能量已显著下降，不能将位错保持在直线形态。900℃时，虽然错配度仍保持负值，共格界面强化具有很高的水平，如图5所示。但是由于γ′的有序度已开始降低，APB能开始下降，相反地，层错能随温度的升高而增大，所以基错切割γ′的方式为位错对夹着反相畴界模式。由于较强的共格强化作用，合金中第二滑移系的启动受到抑制，因此三种合金都表现为很低的加工硬化能力。但由于热激活的作用，位错可以通过交滑移转变到同一滑移系中的另一平行滑移面上，进而使滑移带变宽，变形分布的集中程度降低，合金表现出较高的伸长率，但断裂模式仍为剪切断裂。综合分析三种合金的微观组织和变形组织以及断裂特征，可以看出Ru的加入略微提高了合金的强度，并没有改变合金的变形方式和断裂特征。

3结论

（1）随着Ru含量的增加，合金热处理态γ′相尺寸逐渐减小，立方度明显增加。（2）900℃拉伸实验表明随着Ru含量的增加，合金的屈服强度和抗拉强度略有增加。（3）900℃下三种合金的断裂方式为纯剪切型断裂。变形机制为位错切割γ′位错对夹着反相畴界模式。