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。     

一种单晶高温合金的组织和持久性能

研究了一种第二代单晶高温合金的显微组织和不同条件下的持久性能.研究结果表明合金铸态组织由γ相、γ′相和共晶相组成.完全热处理后,无共晶和初熔,γ′相立方化较好.合金不同条件下持久性能良好.在760 ℃/800 MPa条件下持久断裂为类解理断裂,而合金980 ℃/250 MPa、1 100 ℃/140 MPa的高温持久断裂显示出韧窝断裂特征.持久断裂组织分析表明,在760 ℃/800 MPa条件下,γ′相仍保持立方状.在980 ℃/250 MPa条件下,γ′相发生筏排化.在1 100 ℃/140 MPa条件下,γ′相筏排化更严重.      

长期时效温度对一种单晶高温合金组织和拉伸性能的影响

在定向凝固炉中采用螺旋选晶法制备了一种单晶高温合金试棒,标准热处理后分别在980 ℃,1 070 ℃,1 100 ℃和1 140 ℃长期时效处理500 h,研究了不同温度长期时效后合金的显微组织和1 100 ℃的拉伸性能.结果表明合金在不同温度长期时效后,γ′相发生粗化或筏排化.随着时效温度增加,γ′相粗化或筏排化程度增加,γ′相体积分数减少,γ相基体通道变宽.在980 ℃长期时效500 h后,无TCP相析出;1 070 ℃,1 100 ℃,1 140 ℃长期时效500 h后,有针状TCP相析出.随着长期时效温度增加,TCP相含量增加.随着时效温度升高,合金拉伸强度降低,拉伸延伸率先增加后在1 140 ℃时效时又降低.长期时效后γ′相粗化或筏排化、γ′相含量减少和TCP相析出是合金拉伸强度降低的主要原因.      

一种[001]取向镍基单晶高温合金蠕变特征

研究了一种[001]取向镍基单晶合金的蠕变特征和变形期间的微观组织结构.结果表明:在低温高应力和高温低应力条件下,合金具有较长的蠕变寿命和较低的稳态蠕变速率;在700℃,720MPa条件下,透射电镜(TEM)观察显示蠕变期间的变形特征是1/2110位错在基体中运动,发生反应形成1/3112超肖克利(Shockley)不全位错,切入γ′相后产生层错.在900℃,450MPa条件下,没有出现蠕变初始阶段,γ′相从立方体形态演化成筏形;在加速蠕变阶段,多系滑移开动,大量位错剪切γ′相是变形的主要机制.在1070℃,150MPa条件下,γ′相逐渐转变成筏形组织,并在γ/γ′界面处形成致密的六边形位错网,位错网可以阻止位错切入γ′相,提高蠕变抗力;在蠕变后期,位错以位错对形式切入γ′相,是合金变形的主要方式.     

Re对耐腐蚀镍基定向高温合金组织及持久寿命的影响

优化设计了4种不同Re含量的耐腐蚀定向镍基高温合金,含Re分别为0%,1%,2%和3%(质量分数)。对比了不同Re含量合金的铸态枝晶、γ’相形貌及持久性能试样的断口筏排化组织,测试了不同Re含量合金热处理态的980℃/200 MPa持久寿命,研究了Re对耐腐蚀镍基定向合金组织及持久寿命的影响。研究表明:随着Re含量的增加,合金的一次枝晶间距减小;γ’相尺寸减小,立方化程度增加;蠕变试样的筏排组织更加细化、完善与稳定,因此,合金持久寿命提高。     

DD407单晶高温合金760℃拉伸性能的各向异性

研究了具有[001]、[011]和[111]取向以及[001]附近取向的DD407单晶高温合金经过热处理后,在760℃温度下的拉伸性能。结果表明,该合金具有明显的拉伸性能各向异性：[001]取向上表现出了最高的屈服强度和抗拉强度;当取向逐渐偏离[001]时,强度开始降低,但在相同的偏离角度内,偏向[111]取向的试样具...     

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。     

一种[011]取向镍基单晶合金的蠕变断裂

研究了[011]取向的镍基单晶高温合金在750~980℃温度范围和200~680 MPa应力下的蠕变断裂特征.在扫描电镜上对各种实验状态下的蠕变断口和纵向剖面进行了详细观察.研究发现:在低温750℃和中温870℃不同初始蠕变应力条件下,枝晶间区亚晶界处不规则γ＇/γ界面是裂纹主要萌生场所,这些已萌生的裂纹在与外加应力轴垂直的（011）面上沿〈110〉和〈100〉两个方向扩展;980℃不同初始应力条件下,裂纹主要在合金中显微疏松孔洞处萌生,沿与外应力轴垂直的方向扩展.观察750℃和870℃不同应力状态蠕变试样的纵向剖面,对亚晶界区不规则γ＇相面积分数的测量和计算表明,用面积分数表征该合金[011]取向在中低温状态下的蠕变损伤程度是可行的.      

时效处理对一种新型粉末高温合金组织和性能的影响

对一种新型粉末高温合金进行不同时效处理,观察析出相和显微组织,测试合金室温、高温(750、815℃)拉伸和高温(750℃/750 MPa、815℃/450 MPa)持久性能,分析不同时效处理对合金组织和性能的影响。结果表明:过高的二级时效温度导致γ′相发生Ostwald熟化,减弱了γ′相的强化效果,导致合金的室温、高温强度降低,持久寿命明显缩短。单纯的一级时效,导致二次γ′相未发生进一步长大,三次γ′相微量析出,合金的强度提高,高温塑性显著降低。试样经HT2制度热处理后,二次与三次γ′相匹配良好,γ′相尺寸适当,未发生熟化,强度略有降低,塑性明显提高,综合力学性能优异。     

Al含量对镍基单晶高温合金组织 和持久性能的影响

采用选晶法在定向凝固炉中制备了5.6 % Al和6.0 % Al的2种单晶高温合金，保持其它合金元素含量相同，热处理后在1 040 ℃长期时效800 h，采用扫描电镜研究了Al含量对合金共晶含量、热处理组织、长期时效组织和持久性能的影响.结果表明，随着Al含量增加，合金铸态组织中的共晶含量稍有增加，热处理组织中枝晶干γ′相无明显变化，枝晶间的γ′相稍有增大.随着Al含量增加，合金时效组织中TCP相析出量增加，枝晶间γ′相筏排化倾向增加，合金的组织稳定性变差.随着Al含量增加，合金的持久寿命增加，延伸率和断面收缩率减小.      

循环热处理对定向凝固DZ417G高温合金组织和力学性能的影响

研究了镍基定向凝固高温合金DZ417G经多次循环热处理后的微观组织、力学性能和断裂方式的变化规律.随着循环热处理次数的增加,基体上较大的γ'强化相的数量降低,弥散的γ'相间距减小,合金室温硬度随之提高,900℃抗拉强度略微增大,拉伸塑性在3次循环热处理后有所下降.合金在980℃、216 MPa条件下的持久寿命随循环热处理次数的增加而延长,但循环热处理超过4次后,合金的持久寿命迅速下降.     

IN792LC单晶高温合金长期热暴露下的蠕变性能退化

研究了800℃条件下最长时间达到3 000 h的长期热暴露对IN792LC单晶高温合金显微组织演变及蠕变行为的影响。结果表明：长时间热暴露后,γ′相球化生长均匀分散在γ基体内,γ′相的粗化行为符合Lifshitz-Slyozov-Wagner(LSW)模型。热暴露后一些不连续碳化物在γ/γ′共晶组织周围析出,但无拓扑密排相(TCP)生成。对长期热暴露后的合金进行了760℃/662 MPa下蠕变断裂寿命测试,随着热暴露时间延长,由于组织退化,合金蠕变寿命降低,而断裂伸长率不断提高。当热暴露达到3 000 h时,合金蠕变断裂寿命降低81.1%。合金蠕变寿命的减少主要由γ′相粗化、碳化物的退化以及柯肯达尔孔洞增大导致。分析发现在热暴露后共晶相周围MC碳化物分解形成的M₂₃C₆碳化物,空位在碳化物处塌陷聚集成微孔,加速了裂纹的萌生与拓展。此外,由于热暴露后合金蠕变过程中的位错网络被破坏,位错切入γ′相运动,从而进一步降低蠕变断裂寿命。研究结果为IN792LC单晶高温合金近服役温度条件下使用寿命预测提供了参考。     

1070℃热暴露对一种单晶高温合金组织的影响

研究了一种镍基单晶高温合金在1 070℃热暴露不同时间后的组织变化。结果表明:合金的热处理组织由立方化较好γ'相和基体γ相组成。经过1 070℃热暴露处理后,γ相基体通道宽度增加,γ'强化相合并长大;热暴露200 h后,合金没有析出不稳定相(TCP相)。热暴露400 h后,少量TCP相开始在枝晶干区域以细针状的形态析出。经过800 h处理后,显微组织呈现出明显的筏排结构。随热暴露时间增加TCP相析出量明显增多,并由枝晶干范围向枝晶间区域生长。TCP相含有Re、W、Mo和Co等合金元素,衍射分析为σ相,与合金基体取向关系为(110)_σ∥(220)_γ,[012]_σ∥[001]_γ。     

一种含4%Ru新型镍基单晶高温合金蠕变性能的研究

采用d电子理论(Md法)和电子空穴(Nv法)的合金设计方法,利用定向凝固技术制备一种含大量W、Mo难溶元素,含4%Ru的镍基单晶高温合金,并对其进行高温蠕变性能测试及组织形貌观察。结果表明,合金经完全热处理后,γ'相以共格方式镶嵌在γ基体中,尺寸约为0.4μm,可以看到合金无TCP相(拓扑密排相)析出。在137MPa、1020℃条件下,其蠕变寿命为315h,较DD403高温合金蠕变寿命提高31.8%,蠕变伸长量提高13.0%。合金在高温蠕变期间γ'相形成筏状结构,随蠕变进行,筏状结构扭曲并发生断裂,直至形成宏观裂纹,最终导致试件断裂,这是镍基单晶高温合金的断裂机制。     

固溶处理对DSM11合金显微组织和力学性能的影响

研究了固溶处理制度对DSM11合金组织和性能的影响.结果表明,固溶热处理可明显降低合金元素的偏析,减少枝晶组织偏析及共晶数量,提高γ'相的尺寸均匀性.随着固溶处理温度的提高,该合金室温和980℃的拉伸性能变化不大,但816℃、483 MPa和980℃、190 MPa下固溶处理后合金的持久寿命显著提高.     

C含量对一种单晶高温合金组织和持久性能的影响

研究了C含量对一种单晶高温合金组织和持久性能的影响。研究结果表明,随着C含量的增加,合金中γ/γ′共晶组织含量和尺寸减小,碳化物含量增加,其形貌由块状向骨架状和发达骨架状转变,Ta偏析程度降低,Re,W,Mo和Nb偏析程度增加。C含量对热处理后碳化物的形貌几乎无影响。随着C含量的增加,合金在980℃/250 MPa条件下的持久寿命先增加后降低,C质量分数为0.048%时达到最大值。持久过程中,未溶碳化物作为裂纹源缩短了合金的持久寿命。     

过热处理对单晶高温合金拉伸性能的影响

不同温度条件下,对DD6单晶高温合金保温1h后空冷处理,以模拟合金的过热服役情况,研究了合金在不同温度过热处理后的显微组织和1 000℃的拉伸性能.结果表明,DD6合金在1 100,1 150和1 200℃过热处理后,γ′相尺寸稍有增大.1 250℃过热处理后,γ′相尺寸明显增加,尺寸极不均匀,大部分γ′/γ相界面为锯齿状.1 300℃过热处理后,少部分γ′相具有锯齿状的γ′/γ相界面,大部分为重新析出的细小γ′相.1 320℃过热处理后,γ′相全部回溶后重新析出不规则、细小的γ′相.合金在1 200℃过热处理后屈服强度和抗拉强度明显降低,其他温度下过热处理对合金的拉伸性能影响较小.这主要是因为合金在1 200℃过热处理后,γ基体通道宽度最大,而γ′相体积分数最小.     

固溶与时效温度对新型粉末高温合金组织和性能的影响

采用JMatPro、光学显微镜(OM)、场发射扫描电镜(FEG-SEM)、电子探针(EPMA)和透射电镜(TEM)研究了固溶与时效温度对新型粉末高温合金NPM01显微组织的影响,分析了合金组织和性能的关系。结果表明:NPM01合金经1 160～1 190℃亚固溶+740～920℃两级时效热处理后,合金中有热等静压过程中未溶解的大尺寸一次γ′相,导致二次γ′相析出数量减少,减弱了γ′相的强化作用;经1 190～1 220℃过固溶+740～920℃两级时效热处理后,二次γ′相长大至240 nm,沿100晶向的棱边中心向内凹陷,出现分裂的现象,三次γ′相粗化至70 nm;经1 190～1 220℃过固溶+740～890℃两级时效热处理后,二次与三次γ′相体积分数之和达到56%,二次γ′相形态稳定,排列整齐,显著增加了γ′相的强化效果,提高了合金高温强度,750℃/750 MPa条件下持久寿命达到437 h,综合力学性能最佳。     

固溶与时效温度对新型粉末高温合金组织和性能的影响北大核心

采用JMatPro、光学显微镜(OM)、场发射扫描电镜(FEG-SEM)、电子探针(EPMA)和透射电镜(TEM)研究了固溶与时效温度对新型粉末高温合金NPM01显微组织的影响,分析了合金组织和性能的关系。结果表明:NPM01合金经1160~1190℃亚固溶+740~920℃两级时效热处理后,合金中有热等静压过程中未溶解的大尺寸一次γ′相,导致二次γ′相析出数量减少,减弱了γ′相的强化作用;经1190~1220℃过固溶+740~920℃两级时效热处理后,二次γ′相长大至240 nm,沿<100>晶向的棱边中心向内凹陷,出现分裂的现象,三次γ′相粗化至70 nm;经1190~1220℃过固溶+740~890℃两级时效热处理后,二次与三次γ′相体积分数之和达到56%,二次γ′相形态稳定,排列整齐,显著增加了γ′相的强化效果,提高了合金高温强度,750℃/750 MPa条件下持久寿命达到437 h,综合力学性能最佳。     

镍基高温合金HIP扩散连接的组织和性能

 采用热等静压扩散连接工艺,获得了DD402单晶合金与FGH95合金的扩散偶。研究了热等静压温度对扩散偶的持久性能、组织结构的影响。结果表明,不同温度热等静压的扩散偶均实现了冶金结合;结合界面区形成了一个组织过渡区,DD402单晶合金中的γ′ 相粒子在HIP过程中发生了筏形化;热处理后结合界面区的γ′ 相形貌和尺寸未发生明显变化。1166℃热等静压扩散偶的650℃持久性能偏低,断口在DD402单晶合金侧,断裂面从结合界面区的大尺寸γ′ 相起始,沿{111}滑移面向筏形γ′ 相区扩展。