本研究以合金設計的觀點，選用以廣泛被使用於工業上的鎳基超合金 CM247LC 作為材料研究之基礎。而 CM247LC 主要的鑄造方式分為傳統鑄造 (CC)及單方向凝固鑄造(DS)，透過 Al 元素的添加調整，探討 CM247LC 鎳基
2-2 CM247LC 鎳基超合金之元素的添加及影響
超合金是以 VIIIA 過渡金屬元素為基材而合金的元素組成通常有 7 至 12 個，如圖 2-1，且使用在 540℃以上高溫環境的鎳基，鐵基，及鈷基合金。而 CM247LC 鎳基超合金為現今廣泛被應用的重要工業材料之一，其成份如表 2.1。CM247LC 是以 MAR-M247 來改良而成，主要應用在傳統鑄造及單方向 凝固鑄造渦輪葉片之上，成份上除了部分調外，其中調整幅度最大的就是碳
（Ｃ），針對 MAR-M247 碳化物過多的缺點作改良，減少近一半的含量，這 也是 CM247LC 命名後面加上 LC (law carbon)的命名意義；CM247LC 鎳基超 合金之化學成分及各元素之作用，經綜合整理後，其各元素在此合金中之作
用[10-13]述如下：
鎳(Ni)：因為 CM247LC 含有大量的鎳元素，使本身具有良好的高溫抗氧化性，
高溫拉伸及潛變強度。
錋(B)：可形成錋化物改善潛變強度，延長應力破斷。 度主要是依賴 γ'相的體積百分比(volume fraction)，在一般鍛造後的合金有 20~45%的 γ'相體積百分比，而經過加工鑄造後 γ'相的結構可以高達 60%的體 積百分比，跟鍛造相比可以增加超合金的強度。
碳化物(Carbides)：一般碳元素的添加約為 0.02〜0.2％，導致碳元素會 與高熔點元素結合(如:Nb、 Hf、Ti)，最初產生的碳化物為 MC 型的碳化物，
M 可為鉿、鈦、鈮等元素。此 MC 碳化物在合金冷卻的過程中形成，這些碳
所以才會有新的鑄造方式被發明應用，而鑄造的方式主要分為三種不同的鑄 造方法，(1)傳統鑄造(Conventionally Cast,CC)、(2)單方向凝固製成(Directional Solidification,DS)、及(3)單晶製成(Single Crystal,SC)，如圖 2-5 為超合金葉片 所表示，左至右分別為傳統鑄造、單方向凝固製程及單晶製程，。一般而言 Columnar Dendrites 區[19]。然而在特定的溫度梯度下，隨著生長速率的減緩，
枝狀組織可能被抑制而轉變成胞狀或平板狀。單方向枝晶的特徵尺寸是一次 熱處理主要為固溶熱處理(Solid Solution)與時效(Aging)熱處理兩種。
固溶熱處理：主要是為了溶解超合金內部粗大化碳化物、γ′強化相及 γ/γ'
效溫度取決於強化相的數量和合金的成分，而隨鋁(Al)、鈦(Ta)含量增加而增 是擴散潛變(Diffusion creep)與差排潛變(Dislocation creep)，兩種潛變變形都與
擴散理論有密切關係。擴散潛變發生在低應力且由空孔(Vacancy)擴散所控制，
在拉伸應力下空孔可藉由晶界發生遷移，也可以說原子遷移發生在相反方向，
圖 2-11 說明空孔與原子的擴散路徑。因此擴散是一種應力活化過程，較高應 力表示有較大的擴散，即較大的潛應變(Creep strain)。
由於晶界是空孔之主要來源，因此潛變率與晶粒尺寸有密切關係，當晶 粒尺寸減小時，晶界面積大幅增加所以潛變率增加，因此細晶材料有較大之 潛變應變。對照於低溫之行為，較小的晶粒有較大降伏應力與較小之應變。
上述兩種理論都與應力程度及晶界滑移(grain boundary sliding)有關，為調 節原子移動，晶界必定有相對的移動。在較高應力時，差排潛變變的較重要， 是導源於差排核心擴散(Core diffusion)，當溫度高於 0.5Tm時爬升過程是受體 擴散(Buck diffusion)所控制。由於在所有潛變方程式中都有擴散項式出現，如
Ashby 歸納出主要機構有(l)差排滑移及爬升，(2)晶界擴散及體擴散與(3)雙晶 變形等[27]。至於何種機構主導潛變破壞，則與合金成分、溫度、應力大小、
顯 微 結 構 、 潛 變 速 率 及 晶 粒 尺 寸 有 關 。 不 同 潛 變 理 論 常 用 潛 變 變 形 圖 (deformation mechanism maps)來加以說明，他們說明在不同溫度及應力條件下 何種潛變理論在作用。圖 2-14[28]是純鎳之潛變變形圖，有兩種晶粒尺寸分別 是 1mm 及 10μm，其中純鎳之潛變變形圖顯示無彈性應變區域。細晶材料有 較大之擴散流(diffusion flow)區域，差排潛變(power law creep)區域被分成兩個 次區域，分別是差排核心擴散區域(擴散沿差排核心)及晶格擴散區域，在特定
量，圖 2-15(b)差排在高溫中有熱能ΔEth的輔助所需的能量ΔWHT相對比較少，
表 2-1 MAR-M247 及 CM247LC 的成份比較(wt%, Ni balanced)。
Alloy C Cr Co Mo W Ta Al Ti B Zr Hf
MAR-M247 0.15 8.36 10.1 0.69 9.98 3.16 5.56 1.0 0.014 0.045 1.51
CM247LC 0.073 8.1 9.2 0.5 9.5 3.2 5.67 0.7 0.016 0.007 1.44
圖 2-1 常見於超合金的合金成分
圖 2-2 Stress rupture behavior of superalloys[8]
圖 2-3 合金種類及其強度發展意識圖[9]
圖 2-4(a)Crystal structure of γ (b)Crystal structure of γ'[14]
(a) (b)
圖 2-5 超合金葉片(由左至右：傳統、單方向凝固、單晶鑄造)
圖 2-6Turbine blading in the
(a) equiaxed (b) columnar and (c) single-crystal forms. [16]
圖 2-7 Mar-M200 經傳統鑄造、單方向凝固及單晶鑄造的潛變壽命圖
圖 2-8 單相合金之晶粒凝固後型態分佈圖[19]
圖 2-9 一次枝臂間距λ1 及二次枝臂間距 λ2 示意圖[20]
。
圖 2-4 潛變壽命曲線圖[23]
圖 2-11 擴散潛變之圖解
圖 2-12 差排爬升：擴散允許差排繞過障礙物
圖 2-13 原子擴散允許差排爬升
(a)
(b)
圖 2-14 純鎳之潛變變形圖(a)晶粒尺寸 1 mm(b)晶粒尺寸 10 μm[28]
圖 2-15 (a)低溫時差排所需跨越能量(b)在高溫時熱能減少必須跨越障礙的能 量[30]
圖 2-16 不同種類的差排網格