摘要
镍基单晶高温合金因其优异的综合性能，因此被广泛应用于航空发动机涡轮叶片的制造上。单晶高温合金高的承温能力主要依赖于W、Mo和Re等难熔元素的大量添加，其中Re元素对合金高温性能强化效果最好，但Re元素的大量添加会使合金成本大幅升高。因此，本研究采用W元素替代Re元素的理念，并适当增加Ta元素的含量，设计出了两种含1.0wt.％Re和1.5wt.％Re的低成本镍基单晶高温合金。持久性能测试在982℃/248MPa、1038℃/172MPa和1070℃/137MPa三种条件下进行。在室温、760、980和1070℃四种温度下进行拉伸性能测试。利用扫描电镜和透射电镜对两种合金持久断裂和拉伸断裂后的微观组织和变形机制进行研究。 相比于1.0Re合金，1.5Re合金在铸态下枝晶偏析更加严重，共晶含量更多。固溶处理后，合金偏析程度下降，共晶组织基本消除。完全热处理后，两种合金中γ''相均呈规则的立方状，体积分数在60～70％之间，尺寸在0.4～0.5μm之间。 1.0Re合金在982℃/248MPa、1038℃/172MPa和1070℃/137MPa三种条件下持久寿命分别为251h、171h和207h;1.5Re合金分别为259h、182h和241h,持久性能均达到第二代单晶高温合金的水平。两种合金在三种条件下断裂模式均为微孔聚集型断裂。随着试验温度的升高，两种合金中界面位错网的密度逐渐增加。两种合金在三种条件下均出现了a<010>型超位错，a<010>型超位错和界面位错网可以提高合金的持久变形抗力。 两种合金的屈服强度峰值均出现在760℃，1.0Re合金和1.5Re合金分别为1099MPa和1086MPa。在室温和760℃下，位错剪切γ''相分解为不全位错和层错控制了整个变形过程。在760℃下，由多个滑移系相继启动导致的孤立层错相互反应形成了Lomer-Cottrell锁，提高了1.0Re合金的屈服强度。在760℃下1.5Re合金通过孤立层错、K-W位错锁和位错环得到有效强化。在高温下(980℃和1070℃),位错剪切γ''相形成位错对是主要的变形机制，同时在热激活的作用下，位错发生攀移和绕过机制。相比于1.0Re合金，1.5Re合金的界面位错网更加致密、规则。 综上所述，自行设计的两种低成本镍基单晶高温合金具有较好的综合性能，说明以W元素替代Re元素可在降低成本的同时保证合金性能，为低成本单晶高温合金发展提供理论支持。
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