供稿人:徐文梁 鲁中良 供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室 发布日期：2020-11-02
镍基单晶高温合金在高温条件下具有优越力学性能和抗氧化腐蚀性能，常用于制造航空发动机的涡轮叶片。合金材料需要在高温下长期服役，其组织稳定性是相关研究领域的重点。在高温环境下，合金的相稳定性会降低，并可能形成有害相，如拓扑密排相（TCP相），严重损害叶片的使用寿命。
在镍基单晶高温合金零件的传统定向凝固铸造成形过程中，由于凝固过程缓慢，存在强烈的枝晶偏析，形成的一次枝晶臂间距（PDAS）通常约200~400 μm，且钨、铼等元素常常严重偏析于枝晶干。同时，通过后续的热处理，依然很难使得铸件内合金成分均匀。当采用新型的选区电子束熔化（SEBM）成形镍基高温合金时，可将PDAS大幅减少至15 μm左右，且通过热处理后，可完全消除枝晶偏析。由于TCP相的形成显著依赖于局部合金成分，因此，通过传统铸造和SEBM制备的材料中TCP相形成的倾向性预计会有很大差异。
德国埃尔朗根-纽伦堡大学大学的研究人员利用SEBM工艺制备了单晶高温合金（CMSX-4）试样，并与铸造获得的试样进行了对比，研究了微观组织对TCP相形成的影响。实验结果表明：SEBM工艺的元素偏析程度较铸造显著降低，经过热处理后，强偏析元素铼在组织中分布的非常均匀，如图1所示。同时，对不同状态的组织进行高温下组织稳定性实验研究发现，SEBM态、SEBM后热处理态、铸态，这三种不同组织状态的试样表现出不同的TCP相析出特点。在870℃保温120小时后，SEBM态组织中未发现新生TCP相；而在SEBM后热处理态和铸态组织中均发现少量。在2050℃保温120小时后，三种组织中均出现了TCP相，但铸态组织中仅出现在枝晶干区域，而其他两种组织中该相分布相对较均匀，如图2所示。该研究指出，铼元素的强烈偏析特性造成铸态组织中枝晶干富集铼，且达到了TCP相形成的成分要求，而在SEBM制备的试样中，合金成分较为均匀，因此TCP相并不会出现仅在特定区域析出的现象。
图1 SEBM工艺和经热处理后铼元素分布（电子探针）以及溶质分配与固相分数的关系
图2 不同实验条件下SEBM（左）、SEBM后热处理态（中）、铸态（右）的微观组织