镍基单晶高温合金的研发进展EI北大核心CSCD

单晶高温合金是先进航空发动机、燃气轮机的核心热端材料,单晶叶片要求高、制造工艺复杂、容错空间小,在高温、复杂应力、氧化和热腐蚀等苛刻环境下工作。本文概述了近几年镍基单晶高温合金在合金研制、组织性能演化和表征、近服役环境下力学行为评价以及叶片制造工艺等方面的研发进展,并简单介绍了难熔高熵合金等“下一代”新型高温结构材料的研发情况。     

镍基单晶高温合金籽晶氧化对凝固过程的影响

采用工业级定向凝固炉研究了籽晶法制备单晶过程中籽晶顶端氧化层结构及对凝固缺陷形成的影响.结果 表明,籽晶顶端氧化层主要为Al2O3和NiO;氧化层隔离了熔融籽晶与浇注的合金,导致定向凝固过程中在氧化层处形成了小角度晶界、杂晶等凝固缺陷.     

定向凝固和单晶高温合金的再结晶研究

定向凝固和单晶高温合金具有优异的高温力学性能,是制造先进航空发动机涡轮叶片的主要材料.定向凝固和单晶高温合金的优异性能主要来源于消除了与主应力轴垂直的晶界,而再结晶的出现会显著降低合金的高温力学性能.针对近年来国内外对于定向凝固和单晶高温合金再结晶的研究,系统地介绍了定向凝固和单晶高温合金再结晶的特点、主要影响因素、再...     

单晶镍基高温合金的非平衡凝固

单晶高温合金具有优异的高温力学性能。本文着重介绍单晶高温合金的非平衡凝固方面的部分有趣的研究结果:包括固液界面的形态选择,从而提示如何合适控制定向凝固工艺参数;在大温度梯度下和在侧向约束条件下的定向凝固,首次发现存在一个无(γ+γ′)共晶区和TiC的上浮现象;在加快冷却速度时,还发现从未报导过的TiC的奇异形态以及其它一些亚稳相。     

碳对镍基单晶高温合金碳化物形貌的影响(英文)

在抽拉速率为50μm/s的条件下制备5种不同含碳量的单晶高温合金,研究碳对单晶高温合金中碳化物形貌的影响。研究发现,铸态组织中存在4种形貌的MC型碳化物,呈针状、球状、块状以及中文汉字状。随着碳含量的增加,碳化物的体积分数增大而共晶组织的体积显著减少。同时,碳化物的尺寸随着碳含量的增加亦呈增大趋势。     

镍基单晶合金的厚度效应

考察了镍基单晶合金ＤＤ３板试样在厚度为０．５，１．０，２．０ｍｍ、晶体取向为［００１］，［０１１］，［１１１］和［１１２］以及试验温度为１０００，９５０，８５０和７６０℃下的变形和破坏规律。宏观结果表明，厚度效应表现出与温度的相关性：１０００℃时，试样越薄，屈服强度越高；９５０℃以下，试样越厚，屈服强度越高。ＳＥＭ细观断口形貌分析表明，除１０００℃［００１］取向试样断口表现出韧窝断裂模式外，其余试     

定向凝固和单晶高温合金的再结晶

本文系统分析了定向凝固和单晶高温合金再结晶的特点、危害以及影响再结晶的主要因素,阐述了再结晶的物理本质.再结晶行为受合金元素、变形程度、热处理温度及时间、变形速率、变形工艺等的影响.再结晶的物理本质是由铸态γ'相溶解控制的高能态畸变组织向低能态无畸变组织转变的过程.镍基定向凝固高温合金再结晶开始温度在1050℃左右,钴基定向凝固高温合金在1100℃左右.定向凝固和单晶高温合金的动态再结晶行为主要与高温氧污染和自由表面有关.再结晶对高温持久、疲劳性能影响较大,含再结晶层的断口源区表现为沿晶断裂.目前定向凝固构件上的再结晶检测普遍采用金相方法.     

一种柱状晶辅助选晶制备镍基单晶高温合金的方法

提出了一种采用柱状晶辅助选晶的制备镍基单晶高温合金的方法。采用金相显微镜和电子背散射衍射（EBSD）等方法表征了单晶制备过程中显微组织及晶体取向。结果表明:柱状晶部分熔化,柱状晶边缘回熔界面附近形成大量杂晶,但只有<001>方向偏离定向凝固方向较小的晶粒能够长大。采用柱状晶选晶的方法能够在螺旋选晶器出口处获得<001>方向偏离定向凝固方向小于8°的单晶铸件。     

先进镍基高温合金疲劳损伤的微观机制

通过对FGH96粉末高温合金、DZ125定向凝固高温合金、DD6单晶高温合金大量疲劳断口的断裂特征进行统计分析,研究了这3类镍基高温合金疲劳损伤的微观机制。结果表明,这3类合金疲劳断裂的宏观形貌有较大的区别,但由于这几类合金均为镍基面心立方晶体结构,因此其疲劳损伤断裂具有相同的微观演变规律和断裂机制,即:从疲劳裂纹的萌生至裂纹的快速扩展均是以滑移机制进行;疲劳扩展第1阶段均为类解理特征,疲劳扩展第2阶段为疲劳条带,快速扩展区呈现为滑移面、滑移台阶、韧窝特征。由于其组织和成形工艺的区别,其共同的特征表现的具体形貌有所区别。     

镍基单晶高温合金一次枝晶间距的统计研究

采用籽晶法制备了3种[001]取向的镍基单晶高温合金。通过正方形估算法和直接测量法统计了合金不同凝固高度的一次枝晶间距。该方案消除了晶界和晶体学取向对一次枝晶间距的影响。随着凝固高度升高,3种合金的一次枝晶平均间距逐渐增大。两种统计方法的一次枝晶平均间距相近,说明两种方法的精度均较高。此外,3种合金的一次枝晶间距在较大的范围内变化,且呈正态分布。3种合金的一次枝晶间距上限是下限的5.4~8.5倍。     

镍基单晶高温合金螺旋选晶过程的数值模拟

采用ProCAST & CAFE模型,模拟了选晶法制备镍基单晶高温合金DD3过程中的晶粒组织演化。结果表明,选晶器引晶段的主要作用是优化晶粒取向,随着距引晶段底部距离的增加,<001>晶向与热流方向偏离角较大的晶粒逐渐被淘汰,到达距引晶段底部26 mm处时,<001>取向的晶粒与热流方向之间的夹角平均值小于10°。螺旋选晶段的主要作用是获得单一晶粒,其对晶粒的取向没有优化作用。螺旋选晶过程中,靠近螺旋通道外侧的晶粒因受到螺旋通道较强的几何阻碍逐渐失去生长空间,而靠近螺旋通道内侧的晶粒通常被选为最终的单晶。螺旋选晶段对晶粒的选择或淘汰与该晶粒在螺旋通道内所处的位置（螺旋通道的内侧或外侧）有密切关系,而与晶粒的晶体学取向没有必然联系     

温度梯度对籽晶法制备镍基单晶高温合金DD6凝固组织的影响

采用液态金属定向凝固试验研究了温度梯度对籽晶法制备镍基单晶高温合金DD6凝固组织的影响规律.结果表明:温度梯度约为50℃/cm的情况下,定向凝固过程中籽晶段可分为完全熔化区、糊状区、热影响区和原始组织区.将温度梯度提高到200℃/cm,可以缩小糊状区和热影响区范围,提高热影响区元素的均匀化程度.高温度梯度可以消除籽晶原...     

一种镍基单晶合金的凝固行为

采用等温凝固方法研究了单晶镍基合金的凝固区间,利用DSC测试了合金的凝固曲线。结果表明:实验合金的液相线温度约为1380℃,固相线温度约为1310℃。合金的凝固顺序为:Lγ,L MC;γγ′;Lγ+MC。单晶合金的铸态组织中,W偏析于枝晶干,Ti、Cr、Mo和Ta偏析于枝晶间,偏析程度为:MoTiCrTa,Al和Co几乎不发生偏析。1314℃1382℃1361℃1325℃     

高温合金单晶铸件中形状因素对雀斑缺陷的影响

通过对单晶高温合金铸件中雀斑缺陷的观察研究,发现铸件横截面和纵截面的形状都对雀斑的形成产生很大的影响。铸件横截面形状的影响表现为棱角和曲率效应,即雀斑容易出现在外凸形的棱角(夹角<180°)和曲面(曲率为正)上,而不会出现在内凹形的棱角(夹角＞180°)和曲面(曲率为负)。其原因在于糊状区液体流动的附壁效应会在铸件外凸和内凹部位分别发生叠加和发散,从而分别促进和减弱雀斑的生成倾向。另外,铸件纵截面形状变化对雀斑的影响表现为收扩效应,即沿凝固方向呈收缩型和扩张型的的外表面对雀斑的影响完全相反,分别起到强烈的促进和抑制作用。研究结果表明,上述的铸件形状因素对雀斑的作用远远超过了凝固条件的影响。     

镍基单晶高温合金杂晶形成倾向性的研究

采用2种不同平台尺寸的模型试样,对镍基单晶高温合金定向凝固过程中的杂晶形成倾向性进行量化研究,对不同合金的杂晶形成倾向性及杂晶在平台内的形成机制进行探索.结果表明,平台长度越长、高度越小时,杂晶越容易在平台内形核并长大;在第一、二、三代镍基单晶高温合金SRR99,DD5和DD90中,第一代合金的杂晶形成倾向性最弱,第二代次之,第三代最强;凝固时平台尖角处的过冷度大于平台内部的过冷度,且随着平台长度增加和平台高度减小,平台尖角处的过冷度增大,当平台尖角处的过冷度达到临界形核过冷度时,杂晶在平台尖角处形核并快速长大进入平台内部.     

镍基单晶高温合金γ‘的定向粗化机理

研究了外应力作用下［００１］取向镍基单晶高温合金γ／γ＇共格弹性应变各向异性及γ＇定向粗化驱动力问题;针对γ＇析出相由立方形演变成杆状、片状和块状筏形组织的实验现象,描述了γ＇发生Ｐ型、Ｎ型和Ｐ－Ｎ型定向粗化时原子的扩散途径以及共格相界的迁移行为;分析了γ＇沿不同取向定向粗化时对总相界面能的贡献并讨论了γ＇的纵向合并行为。     

镍基单晶高温合金TLP连接

采用自制的镍茯合金柔性布作为中间层合金对DD98单晶高温合金进行瞬态液相（TLP）连接,TLP连接在1473-1523K,0.5-24H真空条件下进行。利用光学显微镜、扫描电镜对接头的微观结构和化学成分进行观察和分析,利用电子背散衍射测定了连接层和基体之间的结晶学取向。结果表明接头区域由连接区,中间金属／基体金属界面扩散区、基体金属区组成,均匀化处理后的接头与基体上的γ‘沉淀相的尺寸趋于一致,连接层与基体之间的取向匹配良好。     

镍基单晶高温合金雀斑组织特征

采用OM、SEM、EBSD、TEM等方法研究了第3代单晶高温合金DD9雀斑铸态、热处理态组织及化学成分特征。结果表明：雀斑是由取向杂乱、细小的等轴晶粒组成,通常平行于晶体生长方向,呈链状分布在铸件的表面,其深度与宽度为400~800 μm;雀斑区域含有大量γ/γ''共晶,且出现一定量的MC、M₆C型碳化物和疏松。热处理后雀斑区域等轴晶粒边界出现大尺寸γ''相及颗粒状的M₆C相。雀斑区域含有较多Ta、Al等元素,而Re、W等元素含量较少,雀斑区域成分更加接近枝晶间成分。     

单晶镍基高温合金DD8激光快速熔凝组织

DD8单晶镍基高温合金经激光扫描快速熔凝后, 熔池表面宽度随扫描速率增加变窄; 一次枝晶间距随冷却速率增加而减小. 分析表明: 熔凝后元素的枝晶偏析不明显, 合金成分趋于均匀. 熔凝后的凝固形态由熔池底部到表面依次为准平面凝固、胞状凝固、胞枝状凝固和细密枝晶凝固. 准平面和胞状凝固区由γ固溶体及弥散γ'相 (20 nm) 组成. 在胞枝晶和枝晶凝固区, 枝晶间出现一种高Ti含量条状相. 在过渡区, γ固溶体及γ'相皆部分熔凝, 未全溶的γ'相成为熔凝再析出弥散γ'相的核心, 过渡区γ'相呈堆状分布.     

一种镍基单晶高温合金高温持久性能的各向异性

测定了一种镍基单晶高温合金[001],[011]和[111]三个取向的高温持久性能。结果表明,[001]方向塑性最好,[111]方向寿命最长,而[011]方向各性能指标都较低,组织分析显示,[111]取向启动多个滑移系,形成界面位错网,且分切应力低,因而寿命长;[001]取向等价滑移系最多,可有效钝化微裂纹,因而塑性最好;而[011]取向切应力高,滑移系少,形变孪晶易促进裂纹萌生,所以寿命短且塑性也低,三种试样在持久过程中都形成一种沿枝晶方向的藤状γ′,是由各枝晶间的微小取向差引起的,这些滕状γ′可以成为一种重要的裂纹源。