【doc】不同晶界形态高温合金在含硫环境中的蠕变和断裂特性

【doc】不同晶界形态高温合金在含硫环境中的蠕变和断裂特性 不同晶界形态高温合金在含硫环境中的蠕 变和断裂特性 第26卷第5期 1990年lO月 金属 ACTAMETALLURGICASINICA Vo1.26,No.5 October1990 不同晶界形态高温合金在含硫环境 中的蠕变和断裂特性 张源虎项毅孙坚胡赓祥 (上海交通大学) 李铁藩 (中国科学院盎嗣腐蚀与荫护研究睁于) 摘妻本文应用,扫描电镜,剖面分析厦EDAX能谱分析,研究了具有平直晶界和曲 折昌界两种不同组织的GH302合金,厦R曲680合金在空气,舍硫环境中的高温蠕变 厦断裂行为.试验结果表明,具有曲折晶界昀OH302合金试样,虽然在空气环境中蠕 变和持久性能明显埔高于通常平直晶界试样,但在l0NSO一空气环境中,二者的性能皆 尉烈下降}定向凝固Ren~80台金不仅在空气环境中性能显着优于普通铸造的台金,在 舍硫环境中仍保持原先水平.在舍硫环境中蠕变与腐蚀的变互作用下,蠕变裂纹的扩展 是以硫化一氧化腐蚀在虚力促进下沿晶慑人并形成低熔点共昌,导致早新破坏. 关?词高温合金,晶界,硫化,氧化,瓣变裂纹 多晶台金在高温下的形变和破坏.不仅与晶界结构,组分和析出物等有美,而且晶界的 形态也有明显作用.对某些高温合金经适当热处理获得曲折状晶界后,可使持l九寿命及断裂 塑性等明显地高于通常的乎直晶界组织的合金I1,2];叉如,应用定向凝固方法消除了垂直 于应力轴的横向晶界后,其蠕变强度,塑性_及抗热疲劳性能等都较通常等轴晶组织的 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 有 大幅度地提高:3,4].有研究表明[5],环境气氛中的氧,硫等介质能显着地影响合金的蠕变 和断裂行为,往往导致早期破坏.但是,有关速方面的研究通常是结合合金成分的作用来考 虑的,而台金具有不同组织状态时环境介质的影响却未见报道.本文以具有曲折晶界和定向 凝固柱状晶粒的高温台金为对象,并与通常等轴晶组织对比,研究它们在空气中和在 l0sO一空气中的蠕变和断裂特性及其作用机理. 1试验方法 一 组试样取自GH302形变高温合金棒材,其公称他学成分(wt一%)为:C~0.08, Cr14.0,Ni40.0,W4.0~Mo2.0,^I2.0,Ti2.5,B?001,Ce0.02,Fe条量.为了获得不 199o年$月1日收到.' 本文通联系^:张罪虎,上海(200030)上海交通大学材料科学系 A356 5期张源虎等;不同晶界形杰高温合金在台硫环境中的蠕垒和断裂特性A357 同晶界组织,分别进行标准热处理和特殊的热处理工艺.一种为1453K,2h,A.C.+13~3K, 4h,A. c.+1073K,16h,A.C.,获得平直的晶界组织;另一种为1453K,2h,A.C. +缓冷后中间时效+1073K,16h,A.C.,获得曲折晶界组织.另一组试样取自Ren680铸 造高温合金,其公称化学成分(wt-)为:C0.17,Cr14.0,W4.0,Mo4.0,Co9.5, A13.0,Ti5.0,BO.05,zr0.03,Ni余量.分别由常规精密铸造得到等轴晶组织,用定向凝 固得到平行柱状晶的定向晶界组织. 蠕变断裂试验分别在空气中或在自行设计的环境气氛可控的密封腔中,通流动的 lOSO一空气气氛中进行.试样尺寸为5×25rnm.试验温度和施加应力为:GH302 1033K,392MPa;Ren~80ll23K,412MPa.试样断裂后,用扫描电镜观察断口,并结合 剖面分析和EDAx能谱分析等. 2试验结果及讨论 GH302台金的蠕变断裂试验结果如图l所示.空气环境中,曲折晶界的稳态蠕变速 率,持久断裂寿命及断裂延伸率均明显地优于平直晶界的试样,充分表现出曲折晶界的有利 作用.但在lOsO:一空气环境中,不论晶界形抗如何,它们的蠕变和持久性能都剧烈地下 降到同一水平,即曲折晶界的有益作用消失了. 图2是普通铸造Ren~80台金及定向凝固Ren~80台金在不同气氛中的蠕变试验结果. 它显示了定向试样不仅在空气中性能显着优于常规铸造合金,而且在含硫气氛中仍保持原有 水平,性能不下降,如图2所示,而具有等轴晶的普通铸造Ren?80台金则在含硫气氛中性 能显着恶化. ? 9 旦话 一 一 l1 圈1GH302在不同介质环境中的蠕变曲线 Fig1Creepfu?'ecurveofsuperalloyfill302t~tvdinair and10%SO2-air,1033K,392MPa 一 0一flatGBinSOz-alr;~?一zigzagGBlnSO.air , 卜哪atGBinair;II--zi~GBinair. A358盎扁 国2Ren880在不同介质环境中的蠕变曲线 Fig.2CreepruptureveofsuperalloyRen680testedinair andin10%SO2-air,1123K,412MPa I,II--conw~ntionalcasted,inSOt-airorinair; III,IV--d~rectSonalsolidification..丑airorinSOt-air 标准处理的GH302合金晶界呈平直状,梧晶界分布着点链状:cB二次碳化物,经固溶缓 冷,再于1353K中间处理后,G1-1302合金可获得曲折状晶界C图3),分析表明,晶界碳 化物仍为:c型,呈点链状分布. 当GH302呈曲折状晶界时,曲折晶界的转折处起着阻止晶间的滑动作用,因此在空气中 试验的蠕变曲线上表现出较低的稳态蠕变速率及较长的蠕变第二阶段,在具有曲折晶界试样 经蠕变断裂后的纵剖面上,可见到多处册晶徽裂纹它是由于曲折晶界除了对晶界滑移造成 的障碍作用之外,还对沿晶裂纹的扩展有阻碍作用,使蠕变第二阶段后期形成的显微裂纹不 致迅速扩展而导致断裂.往往是开始形成后又在晶界转折处中止,从而造成较多的沿晶微裂 纹,直到积累损伤严重时才进入第三阶段发生断裂.含硫气氛对蠕变断裂的作用可从断口特 征来了解.断口分析表明,空气中断裂的GH302试样具有梧晶韧性断裂特征(图4a),而在 lOSO一空气气氛中断裂的试样断口上(图4b),清晰地显示出由试样表面沿晶界向内渗 围3特殊热处理后GI-~02台金晶界的曲折状 Fig.3Zig-zagGB,superalloyGH302afterspecificheattreatment 5期张撼虎等:不同晶界形杰高温台金在舍硫环境中的蠕变和断裂特性A359 圈4断口形貌 Fig.4Fracfograpn (a)superalloyGH302,inai(b)supcralloyGH302,inSO2air; (C)conve~tioIlalcostedRcn亡80,inair;(d)directionalsolidification Re?e80,inair;(e)directlonalsolidificationRen680,inSO~-air 入的结瘤腐蚀物.以往的工作[5]已经证实,它是由蠕变一腐蚀交互作用过程中产生的Ni— Nis:低熔点(918K)共晶,然后进一步被氧化后形成以NiO为基体.内中残留着Ni.sz 小岛的瘤状腐蚀物.由于在试验温度下(1103K)器着晶界的腐蚀产物呈液态分布,不仅破 坏了晶粒之间的结台,而且为硫的向内扩散及金属原子的向外迁移提供了有利的传输通道, 导致台金的蠕变性能恶化.在这种情况下,曲折晶界的有利作用消失了.蠕变裂纹的扩展是 以硫化一氧化器着晶界的腐蚀破坏占了主导地位.在应力的促进作用下沿着晶界渗入,形成 共晶腐蚀产物,导致蠕变裂纹迅速扩展,使试样产生早期破断.所以在图l所示的蠕变曲线 上不论平直晶界和曲折晶界在硫化气氛中性能都极差,两者之间无区别. 定向凝固Ren680台金消除了与应力轴垂直的横向晶界,减少了表面裂纹萌生和扩展的 因素,所以它在空气中的蠕变性能大大优于等轴晶结构的普通铸造Ren480台金.断口分析 证实,它们之间的断裂方式也发出了变化,等轴晶试样的断I:l形貌为带有一些韧性的沿晶断 裂(图4c),它的断裂延伸率为l0左右.而定向凝固试样的断口以穿晶方式断裂,断日上 可见到大量的韧窝及撕裂棱(图4d),断裂延伸率也有所提高. 在SO一空气气氛中,普通铸造的Ren680台金的断裂试样也出现了和上述GH302台盒 相似的沿晶结瘤状腐蚀物,导致了灾害性破坏.但定向凝固试样则不同,其断口呈穿晶或沿 枝晶断裂的形貌,在含硫气氛中定向凝固试样经受腐蚀时间是铸造试样的3—4倍,但它与 A360垒属26卷一 铸态试样相比,硫腐蚀作用明显减少,图4e示出了它的断口形貌,当蠕变变形达到一定程 度后,仍然在试样的两个柱晶界上萌生裂纹,接着向二侧伸展后,裂纹以穿晶形式向试样内 部扩展,从断日的痕迹上可以看出裂纹扩展的走向.在近表面晶界处裂纹附近找到了少量分 散的结瘤产物,估计这种少量而分散的腐蚀物并未对定向凝固试样的性能产生明显的影 响. 以上分析证实,在硫氧化环境中含硫介质向合金内部的侵蚀,强烈地择优于晶界.尽管 GH302和Ren680都含14%Cr,在这样的含硫环境中也不能发挥其抗腐蚀作用,只 有消除 了材料中的横向晶界,才能大大改善高温应力条件下硫氧化气氛中合金的高温性能. 3结论 (1)具有曲折晶界的GH302合金试样,在空气环境中试验时其蠕变和持久性能明显 地高于通常平直晶界的试样,但在l0SO:一空气环境中,两者性能都剧烈下降. (2)定向凝固Ren680合金不仅在空气中蠕变试验时其性能显着优于常规铸造Re80 台金,在l0SO:一空气中仍保持原先水平.常规铸造试样在此气氛中性能显着恶化. (3)在含硫气氛中发生蠕变与腐蚀交互作用,其损伤和破坏机制主要是硫化一氧化腐 蚀在应力促进下沿晶侵入,并形成低熔点共晶,导致早期破坏.定向凝固合金由于消除了横 向晶界,能有效地阻止上述侵蚀过程. 本课题是自然科学基金部分 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 参考文瞳 棘志超,叶锐曾,王迪,葛占荚,张润岗,俞同丰,李力如.北京钢铁学院,1982;Supp1.1I:78 KoulAK,TJ~amburayR.MetallTrans1985;16A:17 黄颂惠,林栋粜,文矛.航空材料,1987;(s):8 孙传琪,李其娟,#淑熙,昊昌新.航空村料,1987;(7):I HuGengxjang,ZhouLang,ZhangYuanhu,LiMJng.MaterSciEng.1988;102:237 5期,张源虎等;不同晶界形态高温台金在台硫环境中的蠕变和断裂特性A36I CREEPANDFRACTUREFEATUREOFSUPERALLOYS WITHDIFFERENTBOUNDARYMICROSTRUCTURES INSULPHURCONTAMINATEDENVIRONMENT ZHANGYuanhu.XIANGYi.SUNJi口^,HUGengxiang(Shanghai JiaotongUn",)?LIT~e[an(InstituteolMetalZicCorrosionand Frot~ctioncademiaStn~~a,$henyang) (Maltuscriptreceived1March?l99o) ABSTRACTStudiesbySEMandEDAXwerecarricdouton血ehightemperantre creepandfracturebehayiourundergonetestsinairorinSO2contaminatedenviro— nmentforbothFe—basewrOushtsuperalloyGH302andNi-basesul~cralloyRen680. withtwodifferent. microstructures:.e..fiatandzig—zaggrainbomidaryorcqui- cxcdandColumnargrainboundaryrespectively.Althouthecreeprupturestrenqth ofthesuperalloyGH302ofzig-zagGBwasrenmrkablysuperiorto血atofflatGB inair,thepropertiesofbO血droppedsuddenlyin10%SO.contaminatedair.The creeprupturepropertiesofthedirectionaIsolidificationsuperall0YRcne80were muchbetterthanthatoftheconventionallycastedalloyinair,andalsoremained 曲eformeronesinsocontaminatedair.Owingtotheinteractionbetweencreep andsulphi~tibn,thedamagemechanism?stobethatthecreepcrackingis propagatedintergranularlybysufferingsulphidation-oxidationcorrosionunderstress, and—formationofalowmeltingpointNiN3s2eutccdcleadstoprematurefailureof thea1loy.. KEYWORDSsuperalloy,grainboundary,suiphidation,oxidation,creeprupture Ccrre=ocmient:ZHANGYuanhulDepartmenT;olMaterfals8c~ceShanghaiJiaotongUniVersity Shanghai200030