美国第四代粉末高温合金-ME5系合金

ME5系合金
       通用电气航空公司(GEA)根据美国空军混合盘合同研究了镍基粉末高温合金的设计空间，从而找到一种合金成分来提高盘件承温能力。

        ME5 系合金是以 ME501 为原型合金。通过组织和元素对力学性能影响的分析得到如下结论：(1)Cr对塑性提升有一定贡献，但会降低蠕变性能；(2)W对拉伸强度有一定贡献，对蠕变强度贡献更为显著；(3)Ti对拉伸强度贡献最为显著，但极大的降低蠕变性能；(4)Nb和Ta对拉伸强度提升有一定贡献，但Nb会降低拉伸塑性；(5)高Cr、Ti、Nb、Ta及高Mo/W比会促使TCP相析出；(6)高W含量能提高蠕变强度，但需要同时控制Cr、Ti、Ta含量以减少η 相析出，达到性能的平衡；(7)提高 W 含量并降低Cr含量是提高蠕变性能最合适的合金化方向；(8)长时热暴露后细小的γ′相颗粒尺寸在760 ℃时变化较快，并且在815 ℃时快速固溶，这表明这些合金在高于760 ℃时蠕变强度会出现问题；(9)ME501合金的组织最稳定、综合性能最优。

ME501合金成分设计特点
      对比第四代粉末高温合金 ME501 与第三代粉末高温合金René104的化学成分(见表1)可知，在ME501 合金中同时添加了 Hf、Ta 元素，提高了 W、Ta、Nb含量，Ta含量高达4.8%(是René104合金中的2倍)。

合金制备
      ME501合金使用粒度不大于53 μm(-270目)的氩气雾化粉末，在真空下装套，通过热压和挤压成形，之后在 1052 ℃等温锻造，最终得到尺寸为ϕ125 mm×37.5 mm饼坯。从饼坯中切取实验料，在可控冷速的真空环境中进行热处理，包括固溶处理+两级时效，热处理制度为 1191 ℃×1 h，冷速111 ℃/min+843 ℃×2 h，AC(空冷)+ 760 ℃×8 h，AC。

组织及其稳定性
      热处理后为完全再结晶的等轴晶组织，平均晶粒尺寸为30 μm(见图1)。组织中存在一次γ′相、二次γ′相、三次γ′相以及扇形γ′相(见图2)[5]，γ′相体积分数为55%。利用单传感器差热分析(SS-DTA)技术确定了 ME501 合金中 γ′相固溶温度为约 1182 ℃。γ′相开始析出温度与盘件热处理冷速关系较小(冷速为12~77 ℃/min)。然而，在冷速高于278 ℃/ min时，γ′相析出量明显下降。

       在704 ℃×3000 h、760 ℃×3000 h和815 ℃×3000 h 长时热暴露后，ME501 合金具有优异的晶粒尺寸稳定性，扇形 γ′相的尺寸和形态基本保持稳定。在760 ℃×1008 h之后三次γ′相发生显著的粗化，立方状二次γ′相的平均尺寸略有增加，之后保持相对稳定。815 ℃时三次γ′相几乎完全回溶，二次γ′相完全分裂成立方状，并且逐渐发生熟化(见图3)，表明ME501合金的温度极限接近于760 ℃。

力学性能
      不同温度下的拉伸性能、应力集中因子(Kt)为3.5 的缺口试棒抗拉强度如表 2 所示。可见 ，ME501合金的拉伸强度优于René104合金。不同温度/应力条件下的蠕变、持久性能如表3所示。美国 Mills 团队的 Krutz 等对 ME501 合金经过固溶处理后的γ′相的演变进行了表征和建模，研究了在不同冷速下γ′相的长大行为和形貌演变，认为 γ′相的形貌对合金的拉伸强度起次要作用。之后，该团队通过改进的析出计算模型，对ME501合金在连续冷却过程中多模态γ′相析出进行了实验标定和多尺度模拟，量化了在介观尺度和连续长度尺度上的析出相演变的影响。

      在最近的一些报道中，通过利用粉末高温合金的成分制备成单晶，去除晶界的影响来探究合金性能的本质与成分的关联性，随后指导粉末高温合金成分设计。Mills团队的 Smith 等通过研究单晶 ME501 合金蠕变发现了一种新的强化机理，即限制在超点阵层错处的微区相变(LPT)，有利于提升合金的蠕变性能。LPT包括在γ′相中沿着超点阵外禀层错(SESF)形成有序的 η 相；在 γ′相中沿着超点阵内禀层错(SISF)形成有序的χ相[34]，从而抑制层错带剪切，进而抑制堆垛层错的宽化而形成的微孪晶。另外，Smith 等在单晶 ME501 合金中 SESF 处发现了类似铃木偏聚(Suzuki segregation)的现象，指出这种以扩散主导的偏聚转变(segregation transition)与 Cottrell气团共同作用可以抑制微孪晶的形成，从而提高合金的蠕变性能。

声      明：文章内容来源于张义文 材料成型及模拟分析。仅作分享，不代表本号立场，如有侵权，请联系小编删除，谢谢！