W元素對Waspaloy合金微觀組織和力學性能的影響

  Waspaloy作為20世紀50年代開發出來的鎳基合金,具有良好的抗腐蝕性能、屈服強度和組織穩定性,在美國和歐盟等國家和地區中,均選用了Waspaloy合金作為700℃超超臨界汽輪機組葉片的候選材料。Waspaloy合金常應用于航空發動機的渦輪盤和渦輪葉片等高溫部件,但在700℃超臨界汽輪機組中還沒有應用,其在700℃條件下長時組織穩定性和長期持久性能正在進行研究,因此增強Waspaloy合金的組織穩定性和持久性能顯得尤為重要。

  W是一種熔點非常高的合金元素,在鎳基合金中,添加W能引起基體晶格膨脹,提高合金屈服強度,降低γ基體層錯能,W溶質擴散能力非常低,能降低一切以擴散控制的形變動力學,提高合金的蠕變性能。

  為了提高Waspaloy合金的組織穩定性和持久性能,科研人員利用Thermo-Calc熱力學計算軟件,模擬計算出適宜的W元素添加量,研究了W在Waspaloy合金中的分配行為,以及對合金力學性能和γ'相的影響,為Waspaloy合金在700℃超臨界機組中的應用提供良好的理論基礎和實驗依據。

  采用Thermo-Calc熱力學計算軟件與相應的Ni-6數據庫進行熱力學模擬計算,模擬計算出W在Waspaloy合金中的適宜添加量。合金體系重量選為1g,參照狀態溫度為973.15K,壓強為1×105Pa。

  實驗用材料采用25kg真空感應爐熔煉,鍛成Φ18mm圓棒。其中一個試樣采用美國特殊金屬公司生產的Waspaloy合金中限標準,另一個試樣在保持Mo當量相同基礎上降低1%的Mo,而添加2%的W元素。試樣采用的熱處理制度為:1080℃固溶4h后空冷,850℃時效24h,空冷,最后在760℃時效16h,空冷。進行拉伸性能測試,觀察合金γ'強化相形貌。利用ImageTool、Photoshop等軟件對γ'強化相尺寸進行統計,平均統計個數大于900個。采用化學定量方法確定γ'相的含量和元素組成。試驗結果表明:

  (1)在Waspaloy合金中添加2%(質量分數)的W,能促進合金中γ'相的析出,提高合金拉伸性能和持久強度。

  (2)不同于Mo元素,W元素能進入γ'相中,強化γ'相。在γ'相中,W能取代一部分Ti原子,同時促進Al進入γ'相,抑制Ti進入γ'相。

  (3)在Waspaloy合金中添加W不改變γ'相形貌,但能降低γ'/γ相間錯配度,使γ'相粒度分布更為集中,減少粗顆粒γ'相出現幾率。