北京科技大學馮強Acta Materialia：在二代單晶高溫合金中通過少量添加Hf和B來改善晶界容限

【研究背景】

隨著熱效率要求的提高，單晶輪機（SX）葉片的幾何形狀和尺寸變得更加復雜。利用可用的定向凝固技術，例如傳統的布里奇曼鑄造，仍然難以鑄造這些復雜或大的單晶。在葉片的實際生產中，在快速變化的截面附近，晶粒的選擇失效或假晶粒的成核往往會導致晶界缺陷。在工業鑄件中，SX渦輪葉片中LAGB缺陷的存在可以低于一定的偏差容限，允許這種鑄造保持為經濟上可行的技術。然而，一些SX渦輪葉片由于HAGB的形成而報廢，導致較低的鑄造產量和較高的生產成本。以前的工作報告稱，大多數SX超級合金的GB定向偏差很少超過10°，在一些SX高溫合金中，已經報道了具有較小合金添加量的C，B和Hf的橫向蠕變性能的GB容限的顯著改善。關于Hf和B添加物對具有GB缺陷的SX超合金的蠕變性能的個體和相互作用的報道很少。眾所周知，B原子由于其不同的原子尺寸和電子特性而更喜歡駐留在GB中。了解GB在整個使用溫度范圍內的蠕變機制，特別是在高溫操作期間，對于通過合金設計微量合金元素來實現提高的GB耐受性是至關重要的。

【成果簡介】

近日，北京科技大學馮強教授團隊采用5°和20°兩種取向錯取向的雙晶種凝固技術，制備了一系列不同含量HF和B含量的雙晶高溫合金，這是首次報道了在所有蠕變條件(1100?°C/130?MPa、980?°C/250?MPa和760?°C/785?MPa)中，添加了Hf和B的合金對取向偏差高達20°的GBs容限。有趣的是，單獨添加HF或B的效果不如聯合添加HF和B的效果明顯。為了了解這些添加量對含GB缺陷鎳基高溫合金蠕變機制的影響，對LAGB或HAGB附近的微觀結構進行了詳細的表征，并利用各種技術分析了合金中元素在HAGB中的分布。本研究將有助于了解HF和B添加劑對提高GB容限的作用，優化鎳基單晶高溫合金中HF和B的添加量。該成果近日以題為“Improvement of grain boundary tolerance by minor additions of Hf and B in a second generation single crystal superalloy”發表在知名期刊Acta Materialia上。

【圖文導讀】

圖一：晶粒選擇失敗或在快速變化的橫截面區域周圍的雜散晶粒的成核經常導致晶界（GB）缺陷

（a）在渦輪葉片平臺形成的低角度晶界的缺陷

（b）渦輪導向葉片主體形成的低角度晶界的缺陷

（c）宏觀蝕刻之后的橫向蠕變測試樣品

（d）宏觀蝕刻之后的雙晶板鑄件

圖二：在全熱處理后具有LAGB和HAGB基礎合金的雙晶中的GB區域的光學圖像

（a）在全熱處理后具有LAGB基礎合金的雙晶中的GB區域的光學圖像

（b）在全熱處理后具有HAGB基礎合金的雙晶中的GB區域的光學圖像

圖三：實驗合金經過充分熱處理后，GB其周圍的典型顯微組織

（a）含有LAGB基合金中GB雙晶顯微結構的EM圖像

（b）含有LAGB合金HfB 中GB雙晶顯微結構的EM圖像

（c）含HAgb基合金中GB雙晶顯微結構的EM圖像

（d）HAGB合金Hf 中GB雙晶顯微結構的EM圖像

（e）含HAGB合金B 中GB雙晶顯微結構的EM圖像

（f）含HAGB合金HfB 中GB雙晶顯微結構的EM圖像

圖四：在1100℃下熱處理100h-2000h后，GB沉淀在熱暴露過程中的微結構演變

（a）具有LAGB基合金GB雙晶顯微組織的掃描電鏡圖像

（b）具有HAGB基合金GB雙晶顯微組織的掃描電鏡圖像

（c）具有HAGB合金Hf GB雙晶顯微組織的掃描電鏡圖像

（d）具有HAGB合金B GB雙晶顯微組織的掃描電鏡圖像

（e）具有HAGB合金HfB GB雙晶顯微組織的掃描電鏡圖像

圖五：合金中GB沉淀物的TEM，SAD

（a-b）在1100℃下熱暴露200小時后，合金Hfb沿HAGB的TCP相的（a） TEM和（b）SAD圖像。

（c-d）在1100℃下熱暴露200小時后，合金Hfb沿HAGB的硼化物相的（c） TEM和（d）SAD圖像。

圖六：在1100℃熱暴露500小時后，在HAGB基合金中沿晶界的DP集落區域

（a）在HAGB基礎合金中沿著晶界的DP集落區域EPMA后向散射圖像

（b-h）在HAGB基礎合金中沿著晶界的DP集落區域Re、Cr、Mo、W、Ta、Al 、Ni元素mapping。

圖七：合金在1100℃，DP集落寬度和GB析出相的密度及尺寸隨熱暴露時間的變化

（a）四種含hagbs實驗合金在1100?°c處的DP集落寬度隨熱暴露時間的變化曲線。

（b）HfB合金中GB析出相的密度和尺寸隨1100?°c熱暴露時間的變化。

圖八：不同條件下四種實驗合金的相關蠕變應變曲線

（a）在1100?°c/130?MPa(A)下SX、LAGB或HAgb四種實驗合金的橫向蠕變性能

（b）具有HAGB四種實驗合金的相關蠕變應變曲線

（c）?980?°C/250?MPa四種實驗合金的相關蠕變應變曲線

（d）760?°C/785?MPa四種實驗合金的相關蠕變應變曲線

圖九：在1100?°c/130?mpa下，橫向蠕變斷裂試樣的斷口情況

（a）1100?°c/130?MPa橫向蠕變斷裂試樣的斷口試驗，LAGB基合金的穿晶破壞

（b）1100?°c/130?MPa橫向蠕變斷裂試樣的斷口試驗，基合金晶間破壞

（c）1100?°c/130?MPa橫向蠕變斷裂試樣的斷口試驗，含HAGBs的HF合金晶間破壞

（d）1100?°c/130?MPa橫向蠕變斷裂試樣的斷口試驗，B合金的晶間和穿晶混合破壞

（e）1100?°c/130?MPa橫向蠕變斷裂試樣的斷口試驗，含HAGBs的HfB合金的晶間和穿晶混合破壞

（f）1100?°c/130?MPa橫向蠕變斷裂試樣的斷口試驗，圖像（e）的高倍放大圖像

圖十：4種合金在1100?°c/130?mpa斷續蠕變試驗后，在GB區附近的典型組織

（a）在1100℃/ 130MPa的蠕變中斷試驗后，LAGB基合金40h四個實驗合金中GB區域附近平行于應力軸的典型微觀結構

（b）在1100℃/ 130MPa的蠕變中斷試驗后，HAGB的基合金，5h四個實驗合金中GB區域附近平行于應力軸的典型微觀結構

（c）在1100℃/ 130MPa的蠕變中斷試驗后，含HAGB的Hf基合金，5h四個實驗合金中GB區域附近平行于應力軸的典型微觀結構

（d）在1100℃/ 130MPa的蠕變中斷試驗后，含HAGB的B基合金，30h四個實驗合金中GB區域附近平行于應力軸的典型微觀結構

（e）在1100℃/ 130MPa的蠕變中斷試驗后，含HAGB的HfB基合金，40h四個實驗合金中GB區域附近平行于應力軸的典型微觀結構

圖十一：HfB合金的HAGB不同濺射深度的俄歇光譜, B和C濃度隨濺射深度的變化

（a）HfB合金的HAGB處具有不同濺射深度的俄歇光譜

（b）對應的B和C濃度隨濺射深度的變化

圖十二：利用TOF-SIMS的映射模式，研究了HFB與HFB的分離行為

（a）Hf在合金HfB的HAGB上的TOF- SIMS分布圖

（b）B在合金HfB的HAGB上的TOF- SIMS分布圖

（c）（b）中用白框標記的區域內的Hf和B的相應強度分布（c）

圖十三：APT重構及元素分布

（a）HFB合金HAGB的APT重構及元素分布

（b）不含硼化物的GB中合金元素Ni，Cr，Al，Co的濃度分布

（c）不含硼化物的GB中合金元素C，Mo，Ta，Re的濃度分布

（d）不含硼化物的GB中合金元素B，Nb，W，Hf的濃度分布

【小結】

研究了微量合金化元素(HF和B)和GB(約5°和20°)對雙晶高溫合金組織演變、合金元素偏析行為和橫向蠕變性能的影響。可以得出以下結論：

1. 對于固定合金，含HAgb的雙晶高溫合金的蠕變斷裂壽命明顯低于LAGB或SX合金。添加HF和b的合金在所有蠕變條件下，即1100?°c/130?MPa、980?°c/250?MPa和760?°c/785?MPa時，對取向偏差高達20°的GB合金表現出較高的容限。

2. 在全熱處理后，在基礎合金中形成HAGB的DP集落，但是通過單獨添加Hf或B而延遲，并且通過Hf和B的聯合添加顯著抑制。

3. Hf的單獨加入促進了塊狀碳化物沿HAGB的析出，但有限的碳化物量對蠕變性能沒有明顯的影響。

4. 在HAGB處形成寬的約5nm的強B富集區，并且在含Hf和B的合金中均未檢測到HAGB處的Hf富集。 同時，在HAGB處也觀察到C，Cr，Co，Re和Mo的偏析。

5. SXNi基高溫合金的GB容差提高(約20°)是由于DP菌落的抑制、細硼化物和離散硼化物沿GB的析出以及B偏析的減少導致合金中GB界面自由能的降低。

文獻鏈接：

Improvement of grain boundary tolerance by minor additions of Hf and B in a second generation single crystal superalloy（Acta Materialia 2019, DOI:?10.1016/j.msea.2016.06.079）

本文由大兵哥供稿。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱：tougao@cailiaoren.com。

投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaokefu