● 摘要
随着航空发动机涡轮进口温度的提高，先进单晶涡轮叶片的冷却通道日趋复杂，叶片壁厚显著减小。壁厚减小会对单晶合金的组织及性能产生影响，因此对单晶高温合金的薄壁效应进行研究具有重要的工程意义。本文通过采用直接拉制单晶薄板及机加工单晶薄板两种方式对一种低密度单晶合金薄壁效应加以研究。直接拉制薄板采用真空热处理以避免表面高温氧化，用以加工不同厚度的块状单晶采用常规热处理方式。研究内容包括以下几个方面：不同截面尺寸下的铸态凝固组织变化；截面尺寸对中温拉伸性能及中高温持久性能的影响；铸态及固溶态单晶空心叶片的解剖分析。实验结果如下：直接拉制薄板凝固组织随截面尺寸减小，一次枝晶间距逐渐减小，二次枝晶间距及共晶含量均先增大后减小。不同厚度薄板试样枝晶干γ′相与截面尺寸成正比，而枝晶间γ′相变化不大。能谱分析表明，不同厚度薄板试样枝晶偏析变化不大。相对于Φ5标准试样，经固溶处理后，极薄试样（0.8mm）共晶已完全消除，较厚试样（2.5mm）还有极少量残余共晶。对两种类型薄板的中温拉伸测试表明，截面尺寸减小对性能没有影响，即无薄壁效应。断裂面均为{111}解理面。机加工薄板由于多个滑移系同时开动，塑性明显优于直接拉制薄板。高温低应力（980℃/260MPa）持久性能表明，直接拉制薄板持久寿命下降较大，薄壁效应明显；机加工不同厚度薄板试样之间寿命下降差别不大，但整体性能相对标准试样低一倍。随截面尺寸减小，两种薄板试样的断裂方式均从纯韧窝撕裂模式转变为韧窝断裂与解理断裂共存的复合断裂模式。缩颈区的层片筏化结构厚度随截面尺寸减小呈现先薄后厚的趋势。中温高应力（760℃/980MPa）持久性能表明截面尺寸对中温持久性能影响最大，表面氧化也是导致中温持久寿命急剧恶化的重要因素。对单晶空心叶片的解剖表明，枝晶间距、γ+γ′共晶数量及尺寸、γ′相大小均随截面尺寸减小而减小，薄截面处的组织较厚截面处组织更易实现固溶。