● 摘要
IC32合金是新一代Ni3Al基单晶高温合金，具有低成本、低密度、优异的高温性能等优点，是未来航空发动机和燃气轮机叶片最有潜力的候选材料之一。但随着发动机叶片服役温度的提高，需要进一步提高合金的超高温性能。根据Ta元素可以促进强化相γ′的析出，还可以增强γ′相的稳定性等特性，本课题组对IC32合金中Ta元素的含量进行了优化，目的是使IC32合金拥有更好的超高温性能。本文研究了Ta含量对IC32系列Ni3Al基单晶高温合金微观组织和持久性能的影响规律，并确定出最优Ta含量。
采用真空熔炼法炼制出4种不同Ta含量的高温合金IC32A（3wt.%）、IC32B（4.2wt.%）、IC32C（4.5wt.%）、IC32D（6wt.%），再用螺旋选晶法制备单晶。研究了Ta含量对合金微观组织和热处理工艺的影响。结果表明，随着Ta含量的增加，枝晶间距逐渐减小，枝晶间析出物的尺寸和数量均有所增加。经过对热处理工艺的研究，IC32C和IC32D两种高温合金的热处理窗口闭合，无法进行完全热处理。IC32A合金的标准热处理制度为：1320℃/1h+1325℃/2h+1330℃/2h+1335℃/2h+1345℃/10h（风冷）+1165℃/2h（空冷）+870℃/32h（空冷）。IC32B合金的标准热处理制度为：1340℃/1h+1345℃/2h+1350℃/2h+1355℃/2h+1360℃/8h（风冷）+1140℃/1h（空冷）+870℃/32h（空冷）。
对IC32A（3Ta）和IC32B（4.2Ta）合金在850℃/500MPa、1150℃/100MPa、1200℃/80MPa、1220℃/60MPa进行了持久性能测试。结果表明，在850℃/500MPa下IC32A合金（261h）的持久寿命高于IC32B合金（100h）。在1150℃/100MPa下，IC32A的持久寿命为92h，IC32B的持久寿命为96h。在1200℃/80MPa、1220℃/60MPa条件下IC32B合金（131h、297h）的持久寿命高于IC32A合金（115h、201h）。对持久断裂的试样进行了扫描电镜观察和透射电镜观察，发现IC32A合金在850℃下γ′相变形被拉长，IC32B合金γ′相变形不明显。在1150℃、1200℃和1220℃下，IC32A（3Ta）和IC32B（4.2Ta）合金中γ′相和γ相均发生了定向粗化，γ′相和γ相界面处形成了致密的位错网，所以IC32合金的超高温持久性能优异。
进一步对两种合金中γ′相在高温下的稳定性进行了研究。发现在900-1200℃下，Ta元素含量高的IC32B（4.2Ta）合金的残余γ′相数量比IC32A（3Ta）多，在超高温1250℃下仍然保持较高数量的γ′相。在超高温下γ′相的稳定性对持久性能起主导作用，所以IC32B合金的超高温持久性能比较好。综合考虑合金的服役条件要求，最终选定3wt.%为IC32系列合金的最佳Ta含量。
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