一种自适应结构单晶叶片的制备方法及自适应结构单晶叶片

本发明属于燃机高温结构部件，尤其是涉及一种自适应结构单晶叶片的制备方法及其制备得到的自适应结构单晶叶片。

背景技术：

1、基于现代燃机的工作原理和设计，提高涡轮进口温度是提升发动机效率、推进比的主要技术手段之一。提高涡轮进气口温度，要求处于进气口末端的涡轮一级高压动/静叶片及其材料本身具有更高的耐温能力。目前先进航空发动机涡轮一级高压动/静叶片材料主要采用镍基单晶高温合金，由无序面心奥氏体γ相和有序l12结构a3b型金属间化合物γ′相构成，两相间组成基本共格界面。

2、在实际服役过程中，涡轮叶片在温度、气动载荷、离心力的耦合作用下承受极不均匀的力、热条件。先进航机一级高压动叶，叶梢在最高1150℃高温下承受约140mpa应力；叶根部位温度介于650-850℃，但承受平均应力超700mpa；叶身温度和应力介于850-1000℃、280-650mpa之间。高温性能直接关系到材料的耐温能力和发动机进口温度，是过去合金设计的重点。基于γ相固溶强化、γ′相沉淀强化、γ/γ′相界面强化等合金化策略，或是利用固溶、时效热处理进行组织调控与优化，先进单晶合金的高温性能取得长足进步。与之相比，合金的中温、低温性能提升较少。从第三代单晶合金开始，合金的中温、低温性能普遍低于高温性能，使得服役过程中叶片低温区域反而成为薄弱点影响叶片的整体可靠性。

3、以上问题源于以下两点因素。其一，针对高温性能，合计成分设计的重点在于提高组织高温稳定性，为此先进单晶合金中加入了大量铼(re)、钨(w)、钼(mo)等难熔元素，以提高合金的固—液转变温度、γ′相溶解线。低温环境下，组织稳定性并非是影响合金性能的关键，为此过去针对高温性能的成分设计对低温性能提高有限。其二，单晶合金的微观组织结构在不同温度、应力下的变形行为存在差异，低温/高应力下的变形来自于<112>型位错剪切γ、γ′相与位错滑移带的形成，而高温/低应力下位错运主要被限制在γ相中。变形机制的差异决定了针对高温、低温性能组织设计的侧重点不同，γ′相形态、含量、分布等组织特征对高温性能有利，但未必适合低温性能。

4、综上，对服役于复杂温度、应力环境的涡轮叶片，均匀、一致的材料结构很难同时兼顾叶片不同部位的性能。针对于此，部分专利公开了叶片局部处理策略(us20100043929a1、cn 114718655b)，通过调控局部微观组织结构，满足不同区域在其各自服役环境下的性能需求。一定程度上提高了叶片的整体性能，但还存在以下问题：

5、其一，已公开专利根据叶片大致的服役温度、应力分布特征，将叶片自上而下分为叶梢、叶身、叶根等部位，分别对应了高温低应力、中温中应力、低温高应力三个服役区间。实际叶片的服役环境更为复杂，任意区域所处的温度、应力条件均有差异。已公开专利虽通过对叶梢、叶身、叶根等部位采用不同的热处理制度处理以实现局域化的组织调控，使相应部位在高温低应力、中温中应力、低温高应力条件下的强度提高，但仍无法满足叶片在复杂服役环境下的性能需求，很难达到叶片的整体性能设计。

6、其二，已公开专利所采取的局部处理策略要对小尺寸的复杂结构部件(涡轮叶片)实现分区域、多步骤的热处理，对热处理装置要求特别的隔热设计、冷却设计，工艺复杂度大、难度高。此外，局部处理过程中材料内部会产生高温度梯度，进而产生极大的热应力，很容易造成后续处理过程中的再结晶，严重损伤叶片的服役性能及可靠性。

技术实现思路

1、鉴于目前镍基单晶高温合金的高温、低温不匹配，使单晶叶片在复杂温度、应力环境下的性能未能充分发挥。本发明通过材料结构设计和热处理，提出一种自适应结构单晶叶片的制备方法及其制备得到的自适应结构单晶叶片。该叶片具有在复杂温度场内自然形成非均匀结构，任意区域的组织结构是该区域对应服役温度下可存在并发挥最佳作用的组织结构，具有自适应的组织结构组合。相比于传统均匀结构叶片或局部处理结构叶片，本发明所提出的自适应结构单晶叶片任意区域的强度和寿命都达到最优，提高复杂温度场内单晶叶片的整体性能。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种自适应结构单晶叶片的制备方法，包括以下步骤：

3、快冷均匀化处理，在大尺寸γ′相溶解线以上温度处理4-30小时，充分溶解铸态组织后以大于1000℃/s的速度冷却至室温，以大量析出小尺寸γ′相；

4、自适应结构处理，在叶片实际服役环境中处理2-8小时，后空冷至室温，获得目标组织结构；

5、组织稳定化处理，在小尺寸γ′相溶解线以下温度处理12-48，后空冷至室温，以固化所述自适应结构处理获得的目标组织结构。

6、进一步的，所述叶片实际服役环境为发动机一级高压涡轮叶片的实际工作环境。

7、进一步的，所述快冷均匀化处理步骤中，处理温度为1250-1380℃，处理完成后采用液氮淬火、过饱和盐水淬火冷却。

8、进一步的，所述自适应结构处理步骤中，将叶片置于发动机一级高压涡轮叶片部位，在温度、气动载荷、离心力耦合场内处理，所处温度场的温度为650-1200℃。

9、进一步的，所述组织稳定化处理步骤中，处理温度为780-850℃。

10、本发明还公开了一种自适应结构单晶叶片，具有非均匀性组织结构，

11、其处于650-850℃的低温服役区域，具有双模γ′相分布；

12、其处于850-1000℃的中温服役区域，具有单模γ′相分布；

13、其处于1000℃-1200℃的高温服役区域，具有筏排化γ′相分布；

14、以使得叶片整体适应复杂服役温度场的工作环境。

15、具有自适应的组织结构组合，具有非均匀组织结构，其形成至少包括在叶片实际服役环境内复杂服役温度场内处理的过程，叶片处于不同服役温度区域的γ′相分布特征不同，所述γ′相分布特征是该区域其对应服役温度下可存在并发挥最佳作用的组织结构，使叶片整体在复杂服役温度场内各部位的强度和寿命都达到最优。

16、进一步的，所述γ′相是由有序l12结构的a3b型金属间化合物，占总体积分数的50-70％，分布在无序面心结构的奥氏体γ相基体中；

17、所述单模γ′相分布，仅有大尺寸立方体状γ′相，边长200-600nm；

18、所述双模γ′相分布，含有大尺寸立方体状γ′相和小尺寸球形γ′相，小尺寸γ′相直径1-50nm；

19、所述筏排γ′相分布，大尺寸γ′相生长形成的连续组织，薄片状，长边≥1200nm。

20、本发明单晶叶片主要通过精铸及热处理得到。常规热处理分为高温固溶处理、中温时效处理、低温时效处理三步，热处理后均采用空冷。固溶处理主要用于溶解铸态合金中的初生γ′相、共晶相，并利用高温扩散达到均匀化的效果；固溶后的空冷过程中，γ′相重新析出，并在随后的中温时效处理中生长，尺寸增大、体积分数提高；低温时效不会对γ′相的形貌、尺寸、含量造成影响，但有利于均衡合金元素在γ、γ′两相间的分配，可提高相界面稳定性。经固溶、中温时效、低温时效后，一次γ′相充分析出，生长至较大尺寸(200-600nm)，具有立方体形貌，均匀分布在γ相中，呈单模分布特征。此结构下，单晶叶片在850℃以上服役温度区间的强度最高。然而，γ相固溶体较软，位错可以较快速度在其中运动、增殖，造成塑性变形。对低于850℃的服役温度区间，该单模结构起到的强化作用未必最佳。

21、除一次γ′相外，材料中还存在更小尺度的二次、三次γ′相，尺寸在1-50nm之间。传统中温、低温失效处理后，一次γ′相生长大量消耗了γ′相形成元素，材料中通常不析出或很少析出二次或三次γ′相。通过牺牲少量一次γ′相，并以二次或三次γ′相的形式重新析出，可增大γ相中位错运动的阻力，有效提高材料的低温性能。然而，小尺寸γ′相在高温环境下稳定性较差，加上一次γ′相含量降低会降低材料在高温环境下的变形抗力，势必造成合金的高温性能下降，而不利于合金的整体性能。

22、本发明改变了传统单晶合金热处理及组织调控思路，通过热处理工艺设计使单晶叶片中形成非均匀γ′相分布，不同区域的γ′相分布特征取决于该区域所处的服役环境，使各区域强度均得到提高，达到自适应强化效果。主要工艺步骤及设计理念如下：

23、1)快冷均匀化处理：固溶处理后采用液氮淬火或过饱和盐水淬火，使达到极高的冷速(～1000℃/s)，该冷速下γ′相的形核驱动力极高，但因扩散动力低，无法生长至较大尺寸。快冷均匀化处理后得到的γ′相分布特征为：形核密度极高、但尺寸极小(≤50nm)的γ′相均匀分布在γ相中，γ相中过饱和程度高。

24、2)自适应结构处理：不同于传统中温时效在恒温环境中进行，该处理是在温度、气动载荷、离心力耦合场下进行。在该环境下，处于小尺寸γ′相溶解线温度以下的区域，小尺寸γ′相缓慢生长，部分生长为较大尺寸，而部分仍保持小尺寸形貌；处于小尺寸γ′相溶解线温度以上的区域，小尺寸γ′相大量溶解，并在温度作用下生长为大尺寸γ′相；在温度更高区域，大尺寸γ′相在高温、应力的作用下进一步生长，形成连续的片状筏排化组织。自适应结构处理后得到的γ′相分布特征为：服役温度介于650-850℃的区域，具有大尺寸立方体状γ′相(200-600nm)和小尺寸球形γ′相(1-50nm)共同组成的双模γ′相分布；服役温度介于850-1000℃的区域为仅由大尺寸立方体状γ′相构成的单模γ′相分布；服役温度介于1000℃-1150℃的区域具有筏排化γ′相分布。

25、3)组织稳定化处理：在小尺寸γ′相溶解线以下温度处理较长时间，使各区域γ′相分布特征达到平衡，提高组织稳定。

26、相比于采用传统固溶、中温时效、低温时效处理获得的单晶叶片，所述自适应结构的优势在于：低服役温度区域，小尺寸γ′相稳定性高，可在大尺寸γ′相的基础上提供额外的沉淀强化作用，该双模分布变形抗力高于单模分布，使该区域低温性能达到最佳；中服役温度区域，具有单模分布特征，具有优于双模分布的变形抗力，使该区域中温性能达到最佳；高服役温度区域，大尺寸γ′相在短时间内会转变筏排化分布，该过程伴随着界面错配应力的释放和位错网形成，获得了更强的位错运动阻力和变形抗力，使该区域的高温性能达到最佳。基于此自适应结构设计，单晶叶片高温、中温、低温服役区域的结构均得到最佳设计，有效提高了叶片在复杂温度、应力条件下的整体性能。

27、本发明不用改变现有合金的成分，仅通过热处理工艺设计，实现对单晶叶片综合性能提升，具有较高的经济效益和应用前景。