MCrAlY涂层对单晶中γ'相消耗及TCP相生成影响的模拟研究

高温下,MCrAlY涂层与高温合金单晶基材之间会发生元素互扩散,引起显微组织结构变化,往往造成单晶中具有析出强化作用的γ'相的消耗和对力学性能有害的拓扑密堆(Topological closed packed, TCP)相的生成。本研究采用扩散模拟计算的方法,设计了6种MCrAlY模型涂层,分析Co、Cr、Al主元素对DD6单晶基材显微组织的影响规律。研究结果表明,基材中γ'相消耗区在靠近涂层-基材界面处形成,该区的形成主要与Co、Cr元素内扩散相关。基材中TCP相则在更深位置的γ'相富集区内生成,γ'相富集区与Al元素内扩散有关。另外,本文着重分析了涂层成分对γ'相消耗区深度及TCP相生成含量与深度的影响。     

包埋渗铝结合激光熔覆制备铌合金高温防护涂层

为提高铌合金高温抗氧化性,在铌合金表面制备包埋渗铝涂层,通过激光熔覆技术在渗铝层表面熔覆MoSi_2粉末,获得MoSi_2/Al涂层。研究涂层的高温抗氧化性及热腐蚀性能。结果显示:涂层的成分主要有MoSi_2、NbSi_2、Al_3Nb等相,涂层均匀连续致密,与基体结合紧密。经1200℃氧化30 h和900℃Na_2SO_4+K_2SO_4混合盐热腐蚀50 h后,MoSi_2/Al涂层都生成内外两层氧化物膜层,膜层之间结合紧密,氧化膜厚度随时间延长逐渐增大,原有涂层厚度逐渐被氧化消耗。与C103合金相比,MoSi_2/Al涂层有效阻止了氧向涂层内扩散,可以大幅度减缓氧化速率,对基体有良好的防护作用。     

长期时效对DD407单晶高温合金组织和中温性能的影响

研究了DD407单晶高温合金在900℃长期无应力时效过程中,组织的演变规律及其对中温性能的影响。研究结果表明：经长达3 000 h的时效后,合金的组织稳定,无有害相析出,7 6 0℃中温强度稳定,但伸长率显著提高。     

热障涂层与镍基高温合金界面的互扩散行为

综述了热障涂层(TBC)系统的3界面,即陶瓷层/热生长氧化膜(TGO)界面、TGO/粘结层界面及粘结层/基体界面,在高温服役条件下氧化和互扩散行为的研究现状;分析、讨论了控制界面反应和互扩散的3种方法,包括添加Pt/Hf等合金元素、施加界面扩散障及开发新粘结层.指出:粘结层的性能优劣是控制TGO防护性及界面互扩散从而延长TBC使用寿命的关键,而在多种改善TBC界面互扩散方法中,尤以美国和日本科学家研发的连续拓扑密堆积(TCP)型σ相扩散障(如Re-Ni、Ir-Ta及Ni-Hf等)的性能最优;同时指出采用含Pt-Hf的γ-γ'相合金、或与基体同成分的纳米晶涂层作为新粘结层来控制界面互扩散也有望获得进一步发展.     

NiCoCrAlYTa涂层与镍基高温合金基体互扩散行为研究

采用大气等离子喷涂技术(APS)在镍基高温合金GH536上制备Ni Co Cr Al YTa涂层。通过SEM、EDS等方法研究了Ni Co Cr Al YTa涂层与合金基材在1000℃下界面的元素或扩散行为及涂层组织演变规律。结果表明:随着氧化时间延长,涂层中的Co、Al及基材中的Fe、Mo发生了明显的互扩散,涂层中发生了β→γ’→γ的相转变。氧化500h后,元素Y、Ta扩散到了涂层氧化膜中,靠近界面处的涂层基体中出现了大量横向排列、尺寸在5μm左右的富Ta相,形成了一个扩散障,减缓了涂层与基材之间元素互扩散。     

单晶高温合金DD6表面渗碳处理组织研究

对单晶高温合金DD6进行表面渗碳处理,采用SEM、TEM研究了DD6合金渗碳层组织,运用EDS与SAD分析了渗碳层内碳化物的类型。结果表明,表面渗碳处理后,在渗碳层γ相内析出大量细小的MC型碳化物,与合金名义成分相比,其化学成分富含铌、钽和钼,而铝和镍含量较低。该碳化物呈块状析出,尺寸约为0.1μm,弥散分布在渗碳层区域内。由于碳化物的析出,渗碳层区域内的γ′相不能保持完整的立方化形态。渗碳处理温度越高,渗碳层深度越大。MC碳化物与基体γ相之间存在[001]MC∥[001]γ,(200)MC∥(200)γ的晶体学取向关系。     

添加B对包渗法制备MoSi2涂层显微组织及静态抗氧化性能的影响

采用包渗法在Mo基体表面制备了B强化的MoSi2涂层,研究了涂层的显微结构、元素分布、相组成以及静态高温抗氧化性能。结果表明:涂层与基体之间通过扩散形成牢固的冶金结合,涂层整体厚度为80～120μm,共由三层组成。涂层中B元素沿晶界扩散富集引起的晶格畸变,使得Si在MoSi2中的扩散系数减小,导致B强化MoSi2涂层中间层厚度相对纯MoSi2涂层中间层厚度减小,但涂层整体厚度增大。经1200℃静态氧化2h后,B强化的Mo-Si2涂层失重为0.6mg/cm2,大大小于纯MoSi2涂层失重量(1.3mg/cm2),表面生成一层致密的SiO2为主体的氧化膜,阻止了涂层的进一步氧化。     

涂层扩散热处理工艺对DD6单晶高温合金组织和力学性能的影响

研究了870℃/6 h涂层扩散热处理工艺对第二代镍基DD6单晶高温合金(简称DD6合金)组织和性能的影响。研究结果表明,采用870℃/6 h涂层扩散热处理工艺处理后,DD6合金的显微组织、760℃拉伸性能、980℃/250 MPa持久性能、700℃高周疲劳性能无明显变化。DD6合金760℃拉伸断裂类型为准解理断裂,980℃/250 MPa持久断裂类型为韧窝断裂,700℃高周疲劳断裂类型为准解理断裂。涂层扩散处理没有改变DD6合金的断裂机制。     

铌合金表面辉光等离子渗Mo的扩散研究

利用辉光等离子表面冶金技术在Nb521合金表面制备了Mo合金层,研究了渗Mo过程中的扩散行为:主要分析了渗金属温度,保温时间对渗层厚度和扩散速率的影响。采用扫描电子显微镜(SEM)观察渗层表面、截面形貌,X射线能谱仪(EDS)检测渗层界面元素分布。实验结果表明,渗层由扩散层和沉积层组成,且组织致密,颗粒细小,无明显显微裂纹等缺陷,与基体结合良好。温度是影响扩散速率的最主要因素,随着温度的升高,扩散速率逐渐增加,而保温时间对扩散速率的影响不大。最佳工艺下,渗层厚度可达26.5μm,扩散层厚度可达6.89μm,扩散速率可达1.73μm.h-1,Mo元素含量从表面到心部呈梯度分步,在涂层与基体的界面处,钼铌原子发生了不同程度的互扩散。最后依据传统扩散理论计算得到了Mo在不同实验温度下的扩散系数,并拟合得到了离子轰击作用下Mo在Nb521合金中的扩散激活能为292 k.Jmol-1。     

钛合金表面电弧离子镀TiN/TiAlN多层复合涂层的组织及抗氧化性能研究

运用电弧离子镀技术,采用独立的钛、铝靶材,在钛合金表面制备了TiN/TiAlN多层复合涂层,利用SEM、EDS对涂层微观组织结构进行了分析,并在800℃条件下测试了涂层抗氧化性能.结果表明:多层复合涂层厚度约为2.5 μm.经镀膜,试样表而粗糙度有升高的趋势,Ra值由初始0.049μm升高到0.541λm.涂层表面以TiAlN TiN相为主,经氧化后,涂层最表层的氮化物已发生分解,并生成了Al,Ti的氧化物,在高温时阻碍了氧向涂层内部扩散,使得涂层内部仍具有TiN和TiAlN的相结构.复合涂层经800℃,19 h空气氧化后,涂层表面仍保持完整,氧化增重率低于无涂层样品.氧化19 h后涂层增重率约为0.2 mg/cm2.h.     

铼对单晶高温合金DD32组织的影响

采用SEM、XRD以及金相显微镜等分析技术研究了单晶高温合金组织对铼的响应行为.研究结果表明铼对单晶高温合金的枝晶组织和γ'相形态都有显著影响.在相同工艺条件下,含铼单晶合金的一次和二次枝晶间距都大于无铼单晶合金,无铼单晶合金的枝晶生长非常发达,具有三次枝晶.经同样热处理后,含铼单晶合金的γ'相形态较无铼单晶合金更规则.     

第二代单晶高温合金DD6的薄壁持久性能

采用薄壁试样研究了760℃、980℃、1070℃条件下第二代单晶高温合金DD6的持久性能.结果表明与标准试样的持久应力-寿命曲线相比,DD6合金760℃薄壁持久性能高,980℃薄壁持久性能先高后低,1070℃薄壁持久性能略低;760℃、980℃和1070℃条件下,与标准试样相比,薄壁试样持久寿命随应力降低而增加的速度较慢.     

单晶高温合金DD6不同状态下的显微组织和力学性能

研究了低成本的第二代单晶高温合金DD6在铸态、固溶处理状态和完全热处理状态的显微组织、拉伸性能和持久性能.结果表明在铸态、固溶处理和完全热处理三种状态中,完全热处理状态下DD6合金拉伸强度和持久寿命最高,分别为铸态的1.1倍和2.5～3倍;采用适当的热处理工艺可提高DD6合金中γ'相的数量,改善γ'相的尺寸和分布,显著提高合金的综合力学性能.     

第二代单晶高温合金DD6的拉伸性能

研究了低成本的第二代单晶高温合金DD6的拉伸性能.结果表明[001]取向DD6合金的屈服强度与国外实际应用的第二代单晶高温合金的屈服强度相当;室温至760℃,DD6合金的屈服强度基本相同;在760～850℃范围内,随着温度升高,屈服强度提高;850℃时,合金的屈服强度达到最大值,即1030 MPa;当温度超过850℃后,随着温度的升高,DD6合金的屈服强度显著降低.     

Effect of Hf on Stress Rupture Properties of DD6 Single Crystal Superalloy After Long Term Aging

 The specimens of the second generation single crystal superalloy DD6 with different Hf contents were prepared in the directionally solidified furnace with a high temperature gradient. The long term aging of the specimens after full heat treatment was performed at 1040 ℃ for 800 h. The effect of Hf on the microstructure and stress rupture properties under 980 ℃/250 MPa of the alloy after long term aging was investigated. The results show that the γ′ coarsening and rafting and no topologically close packed phase (TCP) are observed in the microstructures of DD6 alloy with different Hf contents after aged at 1040 ℃ for 800 h. It indicates that DD6 alloy with different Hf contents all possesses good microstructure stability. With increasing Hf content the rupture life after long term aging turns shorter and the elongation represents the increasing first and decreasing afterwards. The fracture mechanism of the alloy with different Hf contents at 980 ℃/250 MPa all shows dimple model. The influence of the microstructures on the stress rupture properties of the alloy is also discussed.     

Effects of Dendritic Orientation on Stress Rupture Properties of DD6 Single Crystal Superalloy

 DD6 single crystal superalloy slabs were prepared with seed method in the directionally solidified furnace with high temperature gradient. The transverse stress rupture properties and fracture behaviour of the alloy at 760 ℃/758 MPa, 850 ℃/550 MPa and 980 ℃/250 MPa were investigated and compared with those of longitudinal specimens. The transverse stress rupture lives are corresponding with the longitudinal stress rupture lives at 760 ℃/758 MPa and 850 ℃/550 MPa. The transverse stress rupture lives are slightly less than the longitudinal stress rupture lives at 980 ℃/250 MPa. The fracture mechanism of the transverse stress rupture of the alloy at 760 ℃/758 MPa shows quasi-cleavage mode and the fracture mechanism at 980 ℃/250 MPa shows dimple mode, while the fracture mechanism at 850 ℃/550 MPa shows quasi-cleavage and dimple mixture mode. At higher temperature and lower stress, the microcracks are easier to initiate and interconnect in the transverse specimen than those in longitudinal specimen because there are interdendritic regions perpendicular to the axis of stress.     

第2代单晶高温合金DD6的燃气热腐蚀行为

在高温度梯度真空定向凝固炉中制备了第2代单晶高温合金DD6。研究了DD6单晶高温合金900℃燃气热腐蚀行为,采用扫描电镜、X射线衍射仪、能谱分析仪对腐蚀产物进行了分析。结果表明,DD6单晶高温合金具有优异的耐燃气热腐蚀性能,900℃试验100h的腐蚀动力学曲线基本遵循抛物线规律。腐蚀100h后合金表面生成了紧密排列的不规则的棱形NiO。腐蚀产物分为两层,外层为氧化物,内层为硫化物。由于Al含量降低,紧靠腐蚀产物的基体,γ′相的立方化程度降低。     

DD15单晶高温合金持久性能各向异性

摘要：研究了［001］、［011］和［111］3种不同取向的DD15单晶高温合金的热处理组织、980℃/300MPa和1150℃/120MPa的持久性能、持久断口和断裂组织。结果表明在与定向凝固方向垂直的截面上,3种取向合金具有明显不同的热处理组织形貌,γ′相的形状分别为规则的正方形、矩形和多边形。合金在980℃/300MPa和1150℃/120MPa条件下的持久性能呈现各向异性。合金在2种条件下的持久寿命都按［011］、［001］、［111］取向的顺序增加,伸长率按［111］、［011］、［001］取向的顺序升高。随着试验温度的降低,合金持久各向异性增强。在980℃/300MPa条件下,［001］和［111］合金持久呈现韧窝断裂特征,而［011］合金持久呈现类解理与韧窝混合断裂特征;在1150℃/120MPa条件下,不同取向合金持久都呈现韧窝断裂特征。不同取向合金断裂后的γ′相具有明显不同的形貌或筏排化程度。［001］取向合金的γ′相筏排与应力轴方向垂直,而［011］和［111］取向合金的γ′相筏排与应力轴呈一定夹角,筏排化程度按［011］、［001］和［111］的顺序增加。     

氢化物发生-原子荧光光谱法测定DD6单晶镍基高温合金中砷

DD6单晶镍基高温合金中含有Ta、Re、W等合金元素,因此样品溶解较为困难,得到的样品溶液也不稳定。实验采用盐酸-硝酸体系溶解样品,以镍基体匹配法绘制校准曲线克服了基体镍的干扰,实现了氢化物发生-原子荧光光谱法对DD6单晶镍基高温合金样品中As含量的测定。对溶样方法进行了探讨,结果表明,采用20mL盐酸-5mL硝酸、加热(100℃左右)溶解样品后,虽然会有少量不溶物存在,但待测元素As已完全溶出,即不溶物中未夹带元素As,因此实验选择该溶样方法进行溶样。对仪器的负高压、灯电流进行了优化试验,确定负高压为280V,灯电流为60mA。根据样品中镍的含量,分别采用无基体匹配和镍基体匹配法建立校准曲线,结果表明,对于同样质量浓度的As标准溶液,有基体镍存在时的测定结果均较无基体镍时明显偏低,说明镍基体的干扰对测定不可忽略,故实验采用镍基体匹配法绘制校准曲线。方法线性范围为0.00005%~0.001%,方法检出限为2×10^-5μg/mL。按实验方法对6个DD6单晶镍基高温合金样品进行测定,测得结果与高流速辉光放电质谱法基本一致,测得结果的相对标准偏差(RSD,n=8)为2.3%~8.7%。