1.3单晶高温合金
1.3.1 单晶高温合金
采用定向凝固工艺消除所有晶界的高温合金称为单晶高温合金，单晶高温合金最主要的用途是制作先进航空发动机的涡轮叶片和导向叶片，或者带有复杂型腔的空心涡轮叶片和导向叶片，整个叶片就是一个单晶体。
20世纪60年代中期，单晶高温合金与定向凝固柱晶合金几乎同时诞生。但由于单晶合金与含Hf的定向柱晶合金相比，力学性能没有明显的优越性，而且单晶合金合格率低，成本高，因而实际使用受到限制，没有获得应有的发展。20世纪70年代中期文献报道了Mar-M200+Hf合金的持久强度随合金中细小的γ'相增加而提高，而增加细小γ'相的有效措施就是使用很高的固溶处理温度。根据发现，合乎逻辑地去掉单晶合金中的晶界强化元素C、B、Zr和Hf，会带来合金初熔而温度的提高，并大幅度增加Ta的含量，从而可以大幅度提高固溶处理温度。使初生γ'相完全溶解，使后期的时效析出的细小γ'相的数量打到最多，以显著提高合金的蠕变断裂性能。先进工业国家都发展了自己的单晶合金牌号，相继研制成功Rene4、CMSX-2/3等单晶高温合金。其力学性能水平与PWA1480属于同一级别，都是第一代单晶高温和晶。以后相继发展了第二代、第三代、第四代甚至第五代单晶高温合金。第一代单晶合金不含稀贵金属Re，第二代和第三代单晶合金以含3%Re和6%Re为主要特征，第四代和第五代单晶合金以加入Ru或其他Pt族元素为特色。相应的每代单晶高温合金使用温度都被提高了25℃，第三代单晶高温各进TMS-75的使用温度已达到1060℃，采用第三代单晶高温合金的航空发动机叶片承温能力比定向柱晶合金提高了近90℃。而每提高25℃，就相当于提高叶片寿命3倍。采用单晶合金的发动机的燃油效率提高30%以上，寿命大大延长。目前几乎所有的先进航空发动机都已采用了dna经合金涡轮叶片或导向叶片。
1.3.2 单晶合金的性能特点
(1) 蠕变断裂强度高，塑性好
由于等轴晶高温合金的高温蠕变断裂通常都是由垂直于主应力轴方向的裂纹沿横向晶界形核与扩散造成的。因此，发展了消除横向晶界只有纵向晶界的定向凝固柱晶合金，其持久断裂寿命和塑性都有大幅度提高。
(2) 性能存在各向异性
单晶高温合金的力学性能受晶体取向的影响。通常单晶高温合金＜100＞取向抗蠕变性能最好，在某些合金或试验条件下也可能＜111＞最低。为减小单晶零件的各向异性，对凝固过程进行双取向控制是有效的方法。使零件的纵向和横向都具有更为理想的结晶取向。
(3) 冷热疲劳性良好
单晶高温你合金与定向凝固柱晶合金一样，＜001＞取向由于弹性模量最低，因而冷热疲劳性能最好。在同一热应变范围，单晶合金破坏循环数最大，柱晶合金次之，等轴晶合金最小。
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