基于计算机仿真镍基单晶高温合金再结晶过程分析

再结晶是影响高温合金高温蠕变性能的重要因素.以DD6镍基单晶高温合金为研究对象,建立了再结晶过程中形核生长、储能分布、晶粒长大的数学模型,利用计算机模拟技术分析了材料热处理过程中再结晶的整个过程和动力学曲线.该研究为镍基单晶高温合金生产过程中的蠕变性能优化提供了参考.     

镍基单晶高温合金再结晶过程仿真分析

以DD6镍基单晶高温合金为对象,建立了合金再结晶过程中晶粒形核长大、储能分布的数学模型,利用计算机模拟技术分析了材料热处理过程中再结晶的动力学曲线。模拟结果和文献实验结果具有很高的吻合度,为镍基单晶高温合金蠕变性能的优化提供了参考。     

镍基单晶高温合金中Ru元素作用的研究进展

具有优异的高温抗蠕变、抗疲劳、抗氧化和耐热腐蚀等综合性能的先进镍基单晶高温合金，是当代先进航空发动机热端部件的首选材料。研究者发现，Ru元素的引入对镍基单晶高温合金的组织稳定性和高温蠕变性能有重大影响。但是相关研究开始较晚，不够充分，因此Ru元素具体作用机制尚不明晰。此外，Ru的添加提高了镍基单晶高温合金的制造成本，所以高代次单晶合金目前仍处于试验阶段，并未在实际生产中实现大规模应用。本文从Ru元素对镍基单晶高温合金铸态组织、热处理态组织、组织结构稳定性和蠕变性能的影响4个方面出发，总结了Ru元素在单晶高温合金中具体作用的研究进展。     

镍基单晶高温合金蠕变行为研究进展

从镍基单晶高温合金蠕变中γ'相定向粗化和筏化、蠕变各向异性、蠕变寿命预测及Re和Ru元素对蠕变性能的影响方面,综述了镍基单晶高温合金蠕变行为的研究进展,并对镍基单晶高温合金的发展方向进行了展望。     

镍基单晶高温合金的小角度偏离[001]取向对蠕变性能的影响

小角度偏离[001]取向的镍基单晶高温合金的蠕变性能受温度、γ?尺寸的大小和应力条件的影响。本文综述了镍基单晶高温合金的[001]取向小角度偏离对蠕变性能的影响。不同程度的偏离引起的不同蠕变性能变化,源于不同的蠕变变形机制。不同的蠕变变形机制对应着引起蠕变率发生的不同临界应力。在中温(760℃-850℃),合金的蠕变性能对[001]取向的角度偏离很敏感,即使角度有一点变化也会引起蠕变性能的很大的差异,但是在温度高于850℃以上小角度的取向偏离对蠕变性能影响不大。γ?尺寸的大小对小角度偏离的合金的蠕变性能的影响受温度的制约。在中温,γ?尺寸的大小变化影响着不同的小角度偏离是否引起蠕变性能的变化,但是在高温γ? 相快速伐化,变形机制和γ?尺寸变化无关。     

镍基单晶高温合金的小角度偏离[001]取向对蠕变性能的影响（英文）

小角度偏离[001]取向的镍基单晶高温合金的蠕变性能受温度、γ'尺寸和应力条件的影响。本文综述了镍基单晶高温合金的[001]取向小角度偏离对蠕变性能的影响。不同程度的偏离引起的不同蠕变性能变化,源于不同的蠕变变形机制。不同的蠕变变形机制对应着引起蠕变发生的不同临界应力。在中温(760～850°C),合金的蠕变性能对[001]取向的角度偏离很敏感,即使角度有轻微变化也会对蠕变性能有明显影响,但是温度高于850°C时,小角度的取向偏离对蠕变性能影响不大。γ'尺寸对小角度偏离的合金蠕变性能的影响受温度制约。在中温,γ'尺寸的变化影响着小角度偏离引起的蠕变性能变化,但是在高温γ'相快速伐化,变形机制和γ'尺寸变化无关。     

纵向静磁场对单晶高温合金DD483组织及蠕变性能的影响

在静磁场下进行高温合金DD483的定向凝固实验,研究了不同磁场强度对单晶镍基高温合金DD483凝固组织枝晶形貌、合金元素偏析系数、析出相和蠕变性能的影响.结果表明:纵向静磁场的施加使高温合金DD483单晶生长性受到破坏,强的磁场使得枝晶定向生长形态受到破坏,形成“雀斑组织”,对一次枝晶间距影响不大.施加磁场使得该单晶合金中合金元素的偏析降低;也使单晶高温合金DD483凝固态组织中γ’析出尺寸降低、碳化物和共晶组织尺寸和含量显著减小.同时磁场对该合金的单晶性和枝晶的定向生长行为的破坏使得合金的蠕变性能降低.     

加载速率和峰值载荷对DD407镍基单晶高温合金纳米压痕蠕变行为的影响

在加载速率500～6000 uN/s和峰值载荷4000～12000 uN的条件下进行纳米压痕蠕变实验,研究DD407镍基单晶高温合金在室温下的蠕变行为.结果表明:DD407镍基单晶高温合金具有良好的蠕变抗力性能,但其蠕变性能对加载速率和峰值载荷敏感.依据Findley模型,得到拟合的蠕变参数随着加载速率和峰值载荷的增加...     

Ta对一种抗热腐蚀镍基单晶高温合金长时热暴露组织和蠕变性能的影响

为进一步提高燃机叶片的服役温度,获得综合性能更优的镍基单晶高温合金,本工作研究了Ta含量对镍基单晶高温合金在900℃长时热暴露过程中组织损伤和性能退化规律的影响。利用SEM和TEM-EDS分析了Ta含量对抗热腐蚀镍基单晶高温合金微观组织及900℃、275 MPa蠕变性能的影响。通过对比相同热暴露时间的不同Ta含量合金(2Ta、5Ta和8Ta)组织发现,随Ta含量的增加,γ’相尺寸无明显变化,但立方度有所提高,γ基体中的三次γ’相数量减少。随Ta含量由2%增加到5%,除热暴露4000 h时2种合金γ’相体积分数较为接近外,其余热暴露时间下5Ta合金的γ’相体积分数均高于2Ta合金;Ta含量进一步增加至8%,热暴露不同时间后γ’相体积分数均有所增加。随热暴露时间的延长,3种合金的900℃、275 MPa蠕变性能变化趋势存在差异：2Ta合金热暴露0～4000 h无明显变化,热暴露8000 h后性能明显降低;5Ta和8Ta合金的持久寿命均随热暴露时间的延长先升高后降低,分别在热暴露500和2000 h时达到峰值。随Ta含量的增加,合金稳态蠕变速率不断降低、蠕变寿命明显延长、峰值蠕变寿命向后推移...     

W和Re对固溶态镍基单晶高温合金变形和再结晶的影响

镍基单晶高温合金固溶处理后,分别经过Brinell硬度计压痕和吹砂引入变形,热处理后观察再结晶,研究了W和Re元素对固溶态镍基单晶高温合金变形和再结晶的影响.结果表明,加入W和Re后,单晶高温合金变形后位错密度增大,位错缠结增多,再结晶形核时间滞后,即再结晶孕育期延长,再结晶深度明显减小.单晶高温合金经吹砂后,表面显微硬度明显增加,加入W和Re后,变形深度减小,再结晶晶界迁移速率最大值降低,且沿着再结晶深度方向,晶界平均迁移速率的变化与显微硬度变化趋势一致.     

Ru对镍基单晶高温合金微观组织的影响

为了提高镍基单晶高温合金的高温强度和其他综合性能,第四代合金中加入了铂族元素Ru。Ru的加入降低了γ相的堆垛层错能,减少了γ＇相的体积分数。作为一种有效的固溶强化元素,Ru对γ相和γ＇相的强化均起到了很显著的作用,提高了合金的蠕变性能,同时Ru也影响了难熔元素在合金中的偏析行为,降低了难熔元素在γ相中的过饱和度,并能抑制TCP相等有害相的析出,显著提高了合金的抗蠕变性能和合金显微组织的稳定性。综合分析了Ru的加入对镍基单晶高温合金微观组织结构的影响。     

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.     

Re和W对铸态镍基单晶高温合金再结晶的影响

对不同Re和W含量的铸态镍基单晶高温合金通过Brinell硬度计压痕变形,分别在1230~1330℃保温1 h,研究了难熔元素Re和W对合金再结晶行为的影响.结果表明,再结晶晶粒在压痕表面形成,并沿枝晶干向内扩展,晶界迁移受到枝晶间粗大g'相和g+g'共晶阻碍.添加Re和W提高了铸态单晶高温合金的g'相溶解温度和g+g'共晶含量,导致单晶高温合金的再结晶温度升高.热处理温度升高,各单晶高温合金的再结晶面积随着枝晶间g'相和共晶含量的减少而增大.相同热处理温度下,由于不同成分单晶高温合金枝晶间粗大g'相和g+g'共晶含量不同,不含难熔元素Re和W的单晶高温合金再结晶面积最大,含Re单晶高温合金的再结晶面积大于含W单晶高温合金,同时添加Re和W的单晶高温合金再结晶面积最小.     

缺口对GH3536镍基高温合金蠕变性能的影响

针对GH3536镍基高温合金无应力集中和带典型应力集中圆棒试样在160,200,240 MPa应力条件下的高温(750℃)蠕变性能进行了试验和有限元分析,研究了缺口的存在对材料蠕变性能的影响。采用扫描电镜分析了试样断口的形貌,确定了材料的断裂机制。结果表明:缺口的存在对GH3536镍基高温合金试件的蠕变性能影响较大,其降低了试件的最大蠕变应变及在蠕变各个阶段的蠕变速率。缺口对试件的蠕变寿命存在硬化作用,缺口根部轴向应力的再分配和松弛可简单认为是导致缺口对该合金蠕变寿命起硬化作用的影响因素。断口形貌分析表明由于缺口的存在,2种试件的表面形貌虽有不同,但蠕变断裂机理都是由微孔洞不断增大与聚集引起的。     

一种单晶高温合金的高温蠕变性能

在真空定向凝固炉中采用螺旋选晶法制备了一种镍基单晶高温合金,研究了合金在不同温度和应力下的高温蠕变性能,用扫描电镜和透射电镜研究了合金蠕变断裂组织。结果表明,在1 070~1 120℃温度范围内,120~140 MPa应力条件下,合金具有良好的蠕变性能和较高的承温能力。随着加载应力或者温度提高,合金的应变速率增大,蠕变寿命降低。合金在高温蠕变过程中形成了筏排组织,随着加载应力或者温度提高,筏排的厚度增加。不同条件的蠕变过程中都析出了少量的针状σ相,它主要含有Re、W、Mo等元素。高温下合金蠕变变形机制为位错绕过机制,在γ/γ′相界面形成了高密度的位错网。     

铌含量对Mo-Nb合金单晶高温抗内压蠕变性能的影响

采用内部气体介质对管状样品施加双向载荷对铌含量分别为3%及6%(质量分数,下同)的国产Mo-Nb合金单晶的抗内压蠕变性能进行研究。结果表明,随着溶质原子铌含量的增加,Mo-Nb合金单晶的抗内压蠕变性能增强,稳态蠕变速率及对应力的敏感性降低。随着铌含量的增加,铌的固溶强化作用明显增强,在Mo-Nb合金单晶中形成了更多的位错多边结构使得富铌析出物形状发生变化。这些因素都使得钼基体原子的扩散受到更加明显的阻碍,Mo-Nb合金单晶高温抗内压蠕变性能更加优越。     

镍基单晶高温合金组织稳定性的数学统计分析

镍基单晶高温合金的组织稳定性与难熔元素铼(Re)和钌(Ru)的含量之间有着紧密的联系。总结了在镍基单晶高温合金的发展过程中难熔元素Re和Ru添加的特点;综述了难熔元素Re和Ru对镍基单晶高温合金的组织稳定性的影响,并指出了其中存在的问题,展望了未来研究发展的方向。     

Mo和W在镍基单晶高温合金中的作用研究进展综述

镍基单晶高温合金因其优异的高温性能而广泛应用于航空发动机涡轮叶片的制备。经过几十年的发展,国外已发展至第六代镍基单晶高温合金,合金体系中的Re和Ru等贵重金属元素的含量也不断增加。贵重元素的添加导致合金的成本和密度上升,对合金的研制和批量商业化应用不利。Mo和W作为较低成本的强化元素,在镍基单晶高温合金中发挥了重要的作用。Mo 和W在镍基单晶高温合金中的作用已有较为广泛的研究,本文简单综述了Mo和W在镍基单晶高温合金中对微观结构,包括元素分布、γ/γ′相两相结构、组织稳定性等方面,以及高温持久性能、对凝固缺陷和抗氧化及抗热腐蚀性等的影响,并提出了未来潜在的研究方向。     

粉末镍基U720Li高温合金长期时效下的组织与性能稳定性

研究了经粉末冶金的镍基U720Li高温合金在680、700和730 ℃长期时效（3000 h）下的组织演变及力学性能变化,表征了γ′相在长期时效过程中的形貌与尺寸变化。结果表明,γ′相粗化行为由扩散过程控制。在680和700 ℃下的长期时效过程中,U720Li高温合金的抗拉伸和蠕变性能保持稳定;但在730 ℃/500 h长期时效后,合金屈服强度逐渐降低,塑性增加。在730 ℃长期时效过程中,U720Li高温合金的疲劳和蠕变性能急剧下降,这与γ′相的形貌演变有关。     

火电汽轮机用镍基合金的组织与性能

对火电汽轮机用Ni-6Al-7Ta-4W-4Co-4.6Re-2.8Ru合金进行了固溶和时效热处理,研究了不同温度和外加应力作用下的镍基单晶合金在高温蠕变过程中的蠕变性能和组织演变特征,并分析了其作用机理。结果表明:在外加应力一定条件下,镍基合金的蠕变寿命随着温度的提高而逐渐降低,当温度高于1100℃时表现出了明显的温度敏感性;在温度一定条件下,镍基合金的蠕变寿命随着外加应力的提高而逐渐降低,当外加应力大于156 MPa时表现出了明显的应力敏感性。镍基单晶合金在温度为1075~1125℃、应力为136~176 MPa范围内稳态蠕变阶段的蠕变激活能Q=493.7 k J/mol,应力指数n=4.9;高温蠕变过程中γ'相不断发生扭曲和粗化,在蠕变后期的外加应力作用下,显微裂纹会在γ基体和γ'相界面的显微孔洞处萌生和扩展,并造成镍基合金的蠕变断裂是高温、低应力条件下合金的蠕变断裂机制。