单晶高温合金中的“Ru效应”
2021-12-10 来源：GS_Metals
近日，中国科学院金属研究所的刘金来副研究员与李金国研究员（通讯作者）通过对未添加与添加了2 wt.%Ru的两种定向凝固镍基单晶高温合金进行了高温氧化，发现含Ru样品的近表面区域出现了异常的TCP相富集层，并阐述了Ru对单晶高温合金显微组织稳定性的影响机制。相关结果以“Dual effects of Ru on the microstructural stability of a single crystal superalloy”为题发表在期刊Scripta Materialia上。
首先对未添加与含2 wt.% Ru的镍基单晶高温合金（合金成分如表1所示）进行标准热处理：1332℃/16h+1342℃/16h，空冷（AC）；1150°C/4h，AC；870°C/24h，AC。将热处理后的样品分别在1100°C下保温100h、500h和1000 h。
表1 两种实验合金的化学成分（wt.%）
高温长时间氧化后，两种合金在不同保温时间下TCP相的析出情况如图1所示，可以看出Ru显著抑制了TCP相的析出。保温100h后，TCP相在0Ru合金的枝晶干中析出（图 1a），但在2Ru合金中几乎观察不到（图 1b）。随着保温时间的延长，0Ru合金中的TCP相扩展到整个枝晶区域（图 1b和c），但2Ru 合金中TCP相的体积分数远小于0Ru 合金（图 1e和f）。因此，Ru抑制了TCP 相的成核，导致TCP相的析出量和体积分数降低。TCP相的二维形貌为断续针状，而三维形貌为编织篮形。据报道，较少的形核位点可以获得更多的元素偏析并促进单个TCP相颗粒的生长，这些TCP相中富含W和Re。
图1 在1100°C下保温（a，d）100h后，沿γ/γ'相的（001）面剖切的枝晶干中0Ru（上）和2Ru（下）合金的内部显微组织；（b，e）500h；（c，f）1000h
上述结果与文献报道的结果一致，然而，令人惊讶的是，他们团队发现2Ru合金的近表面区域具有与样品内部区域完全不同的TCP相沉淀。如图2a所示， TCP相的富集层出现在近表面区域，并且该层的厚度随着暴露时间的增加而增加，1000h后的厚度约为160μm。该区域中TCP相的形态与样品内部的相似。然而，在0Ru合金中没有发现这种特殊现象（图 2b）。换句话说，Ru促进了近表面区域TCP相的沉淀。
图2 在1100°C保温500h后合金（a）0Ru和（b）2Ru在近表面区域沿γ/γ'相的（100）面剖切的显微组织图
考虑到TCP富集层仅存在于样品表面附近，因此在1100℃下进行了100h的等温氧化实验，结果表明2Ru合金中TCP相的异常析出是由氧化引起的。图3显示了0Ru和2Ru合金在1100°C下的等温氧化性能。该图清楚地表明，2Ru合金的增重大于0Ru合金。图4显示了氧化100h后两种合金的显微组织，氧化物主要由NiO、复合氧化物和Al2O3层组成，就像大多数单晶高温合金一样。Ru促进了复合氧化物层的生长，其中包含大量孔隙（如图 4b所示），并且容易开裂和剥落。NiO层在氧化数小时后剥落，Ru促进了裂纹的形成和氧化皮的剥落（图 4b）。对两种合金的氧化试样表面进行XRD检测，发现NiO、NiAl2O4、Ni2TaO4和NiWO4的氧化物，EDS分析与XRD结果一致。此外，通过EDS检测到一些富含Ru的析出物，这些析出物可能是RuO2。
