表4-1 CM-681LC 超合金鑄錠及試桿成份分析結果
單位：wt % 元素 規範值 鑄錠成份值 試桿成份值
Cr 5.0~6.0 5.3 5.5 Co 9.0~9.5 9.3 9.3 Mo 0.3~0.7 0.52 0.51 W 8.0~9.0 8.4 8.4 Re 2.8~3.1 2.8 2.9 Ta 5.9~6.3 6.15 6.1 Al 5.6~6.0 5.52 5.71
Ti 0.05~0.25 0.15 0.16 Hf 1.1~1.8 1.5 1.49
C 0.10~0.12 0.11 0.11 B 0.01~0.024 0.020 0.019 Zr 0.011~0.020 0.012 0.012 Ni bal. bal. bal.
圖4-1(a)未熱均壓 CM-681LC 超合金顯微組織 SEM 照片，(b)晶界上及(c) 晶粒內碳化物EDS 分析結果
此造成CM-681LC 超合金具優異之機械性能。
CM-681LC 超合金中的碳化物主要可分為析出在晶界上及晶粒內之碳 化物，以EDS 定性分析檢測均含大量的鉭、鉿(圖 4-1(b)、圖 4-1(c))，屬於 MC 型的(Ta,Hf)C 碳化物。CM-681LC 超合金與一般鎳基超合金相較，含有 較低的鈦含量及較高的鉭含量。較低的鈦含量可減少 TiC 碳化物析出，避
合金的弱化，因此本研究藉由熱均壓處理來消除微縮孔，以降低微縮孔對 合金機械性能之影響[2,42-46,50,57-58]；圖 4-3(b)為經熱均壓之 CM-681LC 超合金顯微組織，可看出微縮孔絕大部份已被消除。為確認熱均壓處理對 消除微縮孔之效果，本研究以型相分析儀統計無熱均壓及經熱均壓之微細 鑄造試桿微縮孔含量變化，分析結果如圖4-4 所示。無熱均壓之試桿微縮孔 面 積 分 率 為 0.2%，而經熱均壓之試桿微縮孔面積分率已大幅降低至 0.06%，證實熱均壓處理確實可大幅減少 CM-681LC 超合金微細鑄造試桿內 部微縮孔含量。由於本研究所採用之熱均壓處理溫度為合金之固溶溫度
圖4-2 微細鑄造之 CM-681LC 超合金晶粒大小(80 μm)
圖4-3 CM-681LC 超合金細晶試桿微縮孔形貌(a)無熱均壓、(b)經熱均壓
圖4-4 熱均壓對 CM-681LC 超合金細晶試桿微縮孔面積分率之影響
圖4-5 CM-681LC 超合金細晶試桿γ’相形貌(a)無熱均壓、(b)經熱均壓
圖4-6 CM-681LC 超合金細晶試桿碳化物形貌 SEM 照片(a)無熱均壓、(b) 經熱均壓
本研究針對經熱均壓之細晶試桿晶界碳化物以SEM 較大倍率觀察如圖 4-7(a)所示，經熱均壓細晶試桿之晶界碳化物呈現不連續且大小不等之顆粒 狀，配合EDS 分析可發現，此碳化物不再為富鉭、鉿之 MC 型碳化物(如圖 4-1(b)所示)，而是富鉻之 M23C6碳化物，如圖4-7(b)所示。本研究為確認此 碳化物為M23C6碳化物，另以 TEM 進行此碳化物分析，圖 4-8 分別為明視 野影像(Bright-field image)、暗視野影像(Dark-field image)及擇區繞射圖 (Selected-area diffraction pattern)，由結果可證實此碳化物確實為 M23C6碳化 物。
CM-681LC 超合金經熱均壓後，碳化物面積分率有降低之趨勢，由 1.12%降 低至0.91%，其原因將於後續章節中討論。
4-1-5 拉伸性能測試結果
本研究為瞭解熱均壓對微細鑄造 CM-681LC 超合金拉伸性能之影響，
將無熱均壓及經熱均壓之微細鑄造試桿於熱處理後，接續進行室溫、427
℃、760℃及 982℃拉伸測試，測試結果詳如表 4-2 及圖 4-10 所示。
圖4-7 (a)CM-681LC 超合金細晶試桿熱均壓後碳化物形貌、(b)晶界上碳化 物EDS 分析結果
圖4-8 Cr23C6(M23C6)碳化物 TEM 影像(a)明視野、(b)暗視野、(c)擇區繞射圖
圖4-9 熱均壓對 CM-681LC 細晶試桿碳化物形貌之影響(a)顆粒大小、(b)長 短軸比、(c)面積分率
表4-2 無熱均壓及經熱均壓 CM-681LC 超合金細晶試桿拉伸測試結果
圖4-10 無熱均壓及經熱均壓 CM-681LC 超合金細晶試桿拉伸測試結果(a) 抗拉強度、(b)降伏強度、(c)延伸率
在抗拉強度方面，如圖 4-10(a)所示，無熱均壓之試桿，其室溫抗拉強 度為990MPa，經熱均壓試桿之室溫抗拉強度可提升至 1085MPa，提升幅度 高達9.6%。在 427℃拉伸測試時，無熱均壓之試桿，其抗拉強度為 1060MPa，
經熱均壓試桿之抗拉強度可提升至1156MPa。隨後，在 760℃、982℃拉伸 測試時，抗拉強度隨著測試溫度之上升而逐漸下降，但經熱均壓試桿之抗 拉強度仍高於無熱均壓試桿之抗拉強度。
在降伏強度部份，整體趨勢和抗拉強度相似，如圖 4-10(b)所示，無論 測試溫度高低，經熱均壓試桿之降伏強度均較無熱均壓試桿之降伏強度要 高。在室溫拉伸時，無熱均壓試桿之降伏強度為900MPa，經熱均壓試桿之 降伏強度可提升至967MPa，而在 760℃拉伸測試時，經熱均壓試桿之降伏 強度較無熱均壓試桿之降伏強度提升高達 9.9%，其降伏強度可維持在 945MPa，直到 982℃拉伸測試時，降伏強度方出現明顯下降之現象。
在拉伸延伸率部份，如圖 4-10(c)所示，無熱均壓之試桿，其室溫拉伸
低，其拉伸延伸率均可提高至4%以上，符合規範要求。
圖4-11 無熱均壓 CM-681LC 細晶試桿室溫拉伸破斷面觀察(a)沿微縮孔破 斷、(b)沿碳化物破斷
圖 4-12 經熱均壓 CM-681LC 細晶試桿室溫拉伸測試破斷面觀察(a)、(b)沿 晶界破斷、(c)沿晶界附近γ-γ’共晶相破斷
圖4-13 無熱均壓 CM-681LC 細晶試桿拉伸破斷面觀察(a)427℃、(b)760℃、
(c)982℃
圖4-14 經熱均壓 CM-681LC 細晶試桿拉伸破斷面觀察(a)427℃、(b)760℃、
(c)982℃
之，無論拉伸測試溫度高低，無熱均壓細晶試桿之裂縫主要分佈在微縮孔 及晶界上長條狀碳化物附近，因此微縮孔及長條狀碳化物是造成拉伸測試 時破斷之主要原因。然而，經熱均壓之細晶試桿，由於微縮孔大量被消除，
且長條狀之碳化物被細化，因此微縮孔及長條狀碳化物不再是造成破斷之 主要原因，此時主要裂縫分佈在晶界上及晶界附近，其破斷模式屬典型之 沿晶破壞模式。
4-2 碳含量對微細鑄造 CM-681LC 超合金顯微組織及機械性能之影響
4-2-1 成份分析
CM-681LC 超合金鑄錠經真空精密鑄造爐重熔，採用微細鑄造技術及 添加碳元素之方式，以獲得兩種不同碳含量之等軸細晶試桿。以火花發射 光譜儀進行主成份分析，並以碳硫分析儀分析其碳含量，分析結果如表 4-3，顯示兩種試桿碳含量分別為 0.11wt%及 0.15wt%(後續分別以 11C、15C 代號表示)，其餘各主成份均符合 CM-681LC 超合金成份規範要求。
表4-3 CM-681LC 超合金標準碳含量及添加碳含量試桿成份分析結果 單位：wt % 元素 規範值 標準碳含量(11C) 添加碳含量(15C)
Cr 5.0~6.0 5.5 5.3 Co 9.0~9.5 9.3 9.3 Mo 0.3~0.7 0.51 0.50
W 8.0~9.0 8.4 8.4 Re 2.8~3.1 2.9 2.8 Ta 5.9~6.3 6.1 5.8 Al 5.6~6.0 5.71 5.52
Ti 0.05~0.25 0.16 0.12 Hf 1.1~1.8 1.49 1.45
C 0.10~0.12 0.11 0.15 B 0.01~0.024 0.019 0.019 Zr 0.011~0.020 0.012 0.012 Ni bal. bal. bal.
圖 4-15 不同碳含量試桿之晶粒大小 SEM 照片(a)11C、(b)15C
圖 4-16 不同碳含量試桿之顯微組織 SEM 照片(a)11C、(b)15C
在碳化物部份，11C 之碳化物在 4-1-4 章節已做過詳細之探討，主要可 0.15wt%，碳化物面積分率由 0.91%增加為 1.57%，碳化物平均長度由 12.84 μm 增加為 13.82 μm，而長短軸比由 1.85 改變為 1.96。這些分析結果顯示：
在微細鑄造製程中，添加碳含量可以明顯增加碳化物的量，但碳化物尺寸
圖 4-17 15C 之碳化物形貌 SEM 照片(a)晶粒內、(b)晶界上
表4-4 不同碳含量細晶 CM-681LC 超合金之碳化物 EDS 成份分析結果 單位：wt % C Ni Cr Hf Ta
11C
晶粒內骨架型碳化物 6.7 2.2 1.3 31.4 58.3 晶粒內塊狀碳化物 6.3 2.5 1.2 32.1 57.8 晶界上塊狀碳化物 6.5 4.3 2.5 35.8 50.9 晶界上顆粒狀碳化物 3.8 18.5 57.3 13.0 7.3
15C
晶粒內骨架型碳化物 6.0 2.1 1.6 34.9 55.4 晶粒內塊狀碳化物 6.8 2.5 0.9 29.7 60.1 晶界上塊狀碳化物 5.9 5.6 2.0 28.3 58.1 晶界上顆粒狀碳化物 3.5 20.2 54.9 15.1 6.3
圖 4-18 不同碳含量對 CM-681LC 超合金細晶試桿碳化物形貌之影響(a)面 積分率、(b)顆粒大小、(c)長短軸比
及形狀並無明顯變化，亦即微細鑄造製程中降低澆鑄溫度以減少溫度梯度
表 4-5 不同碳含量細晶試桿晶界碳化物特徵統計分析結果
合金 MC 碳化物顆 粒大小(μm)
碳化物長短軸比 (Aspect ratio)
MC 碳化物線 密度(No./㎜)
M23C6碳化物 線密度(No./㎜)
11C 3.3 1.35 46 432
15C 3.6 1.41 71 664
圖4-19 不同碳含量之 CM-681LC 超合金細晶試桿之γ’相形貌 SEM 照片 (a)11C、(b)15C
圖4-20 不同碳含量之 CM-681LC 超合金細晶試桿之γ-γ’相形貌 SEM 照片(a) 11C、(b)15C、(c)面積分率統計結果
4-2-3 拉伸性能測試及破斷面觀察
本研究為瞭解兩種不同碳含量對微細鑄造 CM-681LC 超合金拉伸性能 之影響，兩種不同碳含量之試桿經熱均壓及熱處理後，分別進行室溫、
427℃、760℃及 982℃拉伸測試，測試結果詳如表 4-6 及圖 4-21。
在室溫拉伸性能方面，11C 之抗拉強度、降伏強度及延伸率分別為 1085MPa、936MP 及 4.7％。而 15C 之室溫抗拉強度、降伏強度及延伸率分 別為 1170MPa、989MPa 及 8.5％，均明顯較 11C 要來的好，強度可提升 5
～8％，延伸率更提升高達 80％。
在 427℃、760℃及 982℃拉伸性能方面，其結果與室溫拉伸性能有著 相同之趨勢，即15C 之中、高溫拉伸抗拉強度、降伏強度及延伸率均較 11C
表4-6 不同碳含量細晶試桿拉伸測試結果
測試溫度 (℃)
抗拉強度 (MPa)
降伏強度 (MPa)
延伸率 (%) 11C 15C 11C 15C 11C 15C 21 1085 1170 936 989 4.7 8.5 427 1156 1221 967 1012 6.9 9.1 760 1003 1065 945 997 4.3 6.6 982 657 671 505 513 4.1 5.0
圖4-21 不同碳含量對 CM-681LC 細晶試桿拉伸性能之影響(a)抗拉強度、(b) 降伏強度、(c)延伸率
由破斷面可清楚看出，裂縫主要分佈在晶界上。由斷面縱切面觀察(圖
圖4-22 15C 試桿室溫拉伸破斷面觀察(a)破斷面、(b)及(c)斷面縱切面
圖4-23 11C中高溫拉伸破斷面觀察(a)427℃、(b)760℃、(c)982℃
圖4-24 15C中高溫拉伸破斷面觀察(a)427℃、(b)760℃、(c)982℃
表 4-7 不同碳含量細晶試桿 982℃/200MPa 潛變測試結果
合金 潛變壽命 (hrs)
延伸率 (%)
潛變應變達 1%之壽命
(hrs)
潛變應變達 2%之壽命
(hrs)
穩態潛變率 (s-1) 11C 40.2 5.66 13.82 23.86 2.73×10-5 15C 77.4 8.9 30.25 48.77 1.41×10-5
圖4-25 不同碳含量之 CM-681LC 超合金細晶試桿 982℃/200MPa 潛變測試 曲線圖
伸率。其中，15C 之潛變壽命由 11C 之 40 小時提升至 77 小時，大約提升
圖4-26 982℃/200MPa 潛變測試破斷面觀察(a)11C、(b)15C
圖4-27 11C 於 982℃/200MPa 潛變測試後顯微組織(a)橫截面、(b)縱切面
圖 4-28 15C 於 982℃/200MPa 潛變測試後顯微組織(a)橫截面、(b)縱切面
並無明顯改變，其中 15C 之碳化物數量明顯較 11C 多，而 15C 之γ-γ’相面 積分率明顯較11C 少，此趨勢與潛變測試前相同。
圖4-29(a)及圖 4-29(b)分別為 11C 於 982 /200MPa℃ 潛變測試後之橫截 面及縱切面γ’相形貌；圖 4-30(a)及圖 4-30(b)分別為 15C 於 982 /200MPa℃ 潛變測試後之橫截面及縱切面γ’相形貌。觀察結果發現，無論 11C 或 15C 於982 /200MPa℃ 潛變測試後，其橫截面及縱切面之γ’相形貌相似，屬於長 條狀之竹筏狀組織(Rafting Structure)，明顯與潛變測試前之γ’相形貌(圖 4-19) 不同。
圖 4-29 11C 於 982℃/200MPa 潛變測試後γ’相形貌(a)橫截面、(b)縱切面
圖4-30 15C 於 982℃/200MPa 潛變測試後γ’相形貌(a)橫截面、(b)縱切面
第五章 討論
其次是縮孔表面互相接觸後發生擴散接合，而擴散就是單個原子熱運動造
一般而言，M6C 碳化物富鉬或鎢；而 M23C6碳化物富鉻，經由本研究 EDS
原因可分為下列四大部份進行探討：(1)晶粒大小；(2)微縮孔；(3)碳化物；
由此脆性碳化物的介面產生，若此長條狀 MC 碳化物析出在晶界上，會更
能向上提升之主因。
條狀 MC 型碳化物於熱均壓過程承受長時間高溫之環境，促使 MC 碳化物
微縮孔，為避免這些微縮孔對機械性能造成負面之影響，兩種不同碳含量
置，因而減少共晶相生成的量[9]。其二，共晶相主要形成元素為鋁、鉭及
均為80μm 左右，因此在本研究中，可忽略晶粒大小對拉伸性能造成之影響。
及分佈對拉伸性能具有關鍵之影響。γ’相含量越高，高溫強度會隨之提高。
碳化物少，相對在晶界上析出之碳化物較少，對晶界強化效果較低，於拉 變等，如圖2-7 潛變變形圖(Creep Deformation Map)所示，至於何種機構主 導潛變破壞，與合金成份、溫度、應力大小、潛變速率及晶粒大小有關。
目前CM-681LC 超合金並無潛變變形圖發表，因此本研究引用與 CM-681LC 超合金相似的Mar-M200 超合金潛變變形圖來進行分析比較(圖 5-1[90])。若
目前CM-681LC 超合金並無潛變變形圖發表，因此本研究引用與 CM-681LC 超合金相似的Mar-M200 超合金潛變變形圖來進行分析比較(圖 5-1[90])。若