镍基单晶高温合金涡轮叶片缘板杂晶的研究进展

镍基单晶高温合金涡轮叶片缘板杂晶的出现严重影响叶片的力学性能,导致叶片报废。综述了关于缘板杂晶的形成本质的研究,总结了不同影响因素对缘板杂晶形成的影响及原因并概况了几种不同杂晶的控制方法,指出了以往研究中存在的问题,展望了未来研究的方向。     

镍基单晶高温合金中γ/γ′元素分配行为的研究进展

本文总结了镍基单晶高温合金中γ/γ′元素的分配行为,单晶高温合金中Re、Cr、Co、Mo、Ru和W元素主要分布于γ相中,Al、Ta和Ti元素主要分布于γ′相中。同时,单晶高温合金中γ/γ′元素分配行为受到合金元素交互作用的影响,如Re、Cr和Mo元素的分配比随单晶高温合金中Re+Cr+Mo含量以及Ta+Ti含量的提高而增大,W元素的分配比随着单晶高温合金中Ta+Ti含量的提高而增大;Ru的添加使部分合金中出现了元素“逆分配”的现象,但Ru元素产生“逆分配”作用并非普遍现象;Ta元素的分配比随单晶高温合金中Ta-Al质量比的提高而显著降低。     

抽拉速率跃迁对定向凝固单晶高温合金DD3一次枝晶间距和微观偏析的影响

采用液态金属冷却高温度梯度定向凝固设备.研究了抽拉速率跃迁对单晶高温合金DD3一次枝晶间距和微观偏析的影响.结果表明,单晶高温合金枝晶一次间距表现出明显的历史相关性.当抽拉速率(或生长速率)分别从600和300μm/s跃迁到100μm/s和直接以100μm/s速率生长时,一次间距分别为56.5,86和111.5μm.而生长速率分别从50和100μm/s跃迁到300μm/s和直接以300μm/s速率生长获得的一次间距分别为109,93和70μm.一次间距值与Hunt-Lu模型预测的基本吻合,但实验结果证明其上限与下限的比值λ_1~(max)/λ_1~(min)>2,与Ma Sahm的预测结果一致.成分分析表明,相同稳态条件下枝晶的一次间距变小.偏析也有所降低.     

浇注温度和细化剂对K4169高温合金铸态组织的影响

研究了K4169高温合金在不同浇注温度下向熔体中加入和不加入细化剂的晶粒尺寸和组织特征。结果表明:降低浇注温度或者添加细化剂都能减小晶粒尺寸和提高等轴晶比例。在浇注温度1520℃时,向熔体中加入细化剂,可使圆柱锭的晶粒尺寸由原来的10.56 mm细化至2.84 mm,断面等轴晶比例由原来的10%提高到81%。     

Effect of Directional Solidification Methods on the Cast Microstructure and Grain Orientation of Blade Shaped DZ125 Superalloy

对应用液态金属冷却(LMC)和高速凝固(HRS)方法制备的叶片状高温合金铸件的铸态组织进行了研究,以比较2种定向凝固方法的优缺点。分别对沿铸件凝固方向不同截面位置处的晶粒取向、一次枝晶间距和γ′ 相尺寸进行了分析。结果表明,对于HRS铸件的中部截面,枝晶的<001>方向偏离铸件轴向的最大角度在抽拉速率由40 μm/s提高至110 μm/s的过程中不断减小。在70 μm/s的抽拉速度下,LMC铸件中部截面处的中心区域内晶粒的最大偏离角度要大于HRS铸件的相应位置处的偏离角,但是晶粒的整体取向却呈现较HRS铸件更集中的趋势。铸件顶部截面处的枝晶组织比中部截面处要粗大,这种现象在HRS铸件中更严重。γ′ 相尺寸在铸件由叶身位置凝固至平台位置的过程中不断粗化。但当抽拉速率高于70 μm/s时,叶身位置和平台位置之间γ′ 相尺寸之间的差异在LMC铸件中更小     

添加碳和硼改善第三代镍基定向凝固高温合金的显微组织和偏析行为

采用高速定向凝固法(HRS)制备了含碳(0%～0. 130%(质量分数,下同))和硼(0%～0. 014%)的高铼(5%)镍基高温合金,利用SEM和EPMA研究了碳和硼含量对合金凝固组织和显微偏析的影响。结果表明:碳和硼的添加对一次枝晶间距无明显影响;但随碳含量的增加,共晶的体积分数和平均尺寸减小,碳化物的体积分数增多;随硼含量的增加,共晶的体积分数和平均尺寸增加,碳化物的体积分数减小。在200μm/s的抽拉速率下,碳化物的形貌主要以汉字体状为主,随碳含量的增加,汉字体碳化物的平均尺寸增大,汉字体网络分布变得密集;随硼含量的增加,汉字体状碳化物有部分向片状和大片状转化。随碳含量的增加,Re和W凝固偏析呈现先加重后减轻的趋势,其峰值出现在碳含量为0. 040%处;随硼含量的增加,Re和W的凝固偏析先稍微减轻然后又加重。碳和硼对Ta的凝固偏析影响不大。     

先进镍基单晶高温合金蠕变行为的研究进展

先进镍基单晶高温合金具有优良的成分兼容性,在1 000℃以及更高温度下仍能保持较高的组织稳定性、抗蠕变性、抗疲劳性、抗氧化性和抗腐蚀性能,被广泛应用于现代航空发动机和地面燃气轮机的涡轮叶片等关键热端部件。在服役过程中,镍基单晶高温合金主要发生涡轮叶片旋转造成的蠕变及疲劳变形。另外,现代航空发动机对涡轮进口温度的要求不断提升,使得镍基单晶高温合金的承温承载能力面临着更大的挑战。长期以来,材料科研工作者尝试了许多方法来提升镍基单晶高温合金的蠕变性能:在镍基单晶高温合金中添加了大量的难熔元素(W、Cr、Mo、Re等),降低了元素的扩散速率,从而提高了合金的固溶强化水平;添加了γ'相形成元素(Al、Ti、Ta),形成金属间化合物γ'沉淀相,利用γ'沉淀相与γ基体相之间的相干应变、有序化,以及弹性模量和堆垛层错能差异等沉淀强化机制,提高合金的强度;通过调整热处理制度,进一步优化沉淀相的尺寸、形态以及体积分数,最大化沉淀强化效果;通过调整Mo与Re的含量,提高γ'沉淀相与γ基体相的错配度,细化γ/γ'界面位错网间距,强化γ/γ'相界面强度,提高镍基单晶高温合金的蠕变抗力;同时加入适量的Pt族金属元素,抑制了TCP有害相的析出,进一步稳定了合金组织。然而,镍基单晶高温合金中元素的合金化程度已很高,在CMSX-10中难熔元素的含量高达20.5%,这已经接近镍基体的溶解度极限;同时,也带来了其他一系列问题:组织不稳定性(包括凝固缺陷析出倾向的增加、TCP相的析出)以及合金密度和成本的增加。另外,对于第四代及其后续的镍基单晶高温合金的设计,除依赖提高难熔元素含量和加入铂族元素稳定组织外,并无其他公开、有效的措施。现行措施也与现代工业追求低密度、低成本、环境友好的理念背道而驰。因此,深入认识镍基高温合金成分-组织-结构-性能之间的内在联系十分重要,亟待突破现有的合金设计理论。本文试图从最重要的长时力学性能之一的蠕变性能出发,分别对镍基单晶高温合金成分、组织结构、蠕变行为特点等方面进行了阐述,重点探讨了固溶元素、γ'体积、尺寸、形态、γ/γ'界面、堆垛层错能(SFE)、反相畴界能(APB)等因素对蠕变行为、蠕变机制的影响规律,分析了镍基单晶高温合金蠕变行为研究面临的问题,并展望其研究前景,以期能够深入理解单晶高温合金的强韧化机理,为新一代镍基单晶高温合金的设计提供一些思路。     

高梯度定向凝固技术及其在高温合金制备中的应用

工业燃机用大型复杂定向或单晶叶片制备的需求,对传统的高速凝固(HRS)定向凝固技术提出了挑战,以液态金属冷却法(LMC)为代表的高梯度定向凝固技术迎来了发展机遇。本文总结分析了高梯度定向凝固技术的工作原理、所制备铸件的组织特点、以及其对凝固缺陷、固溶热处理、力学性能的影响。高梯度定向凝固技术提高了铸件内的温度梯度和冷却速率,因而能够显著减小一次及二次枝晶间距、碳化物、共晶和铸态孔洞尺寸,降低了共晶和铸态孔洞的含量;并降低了热处理过程中固溶孔的含量和元素的残余偏析;该技术还有效抑制雀斑缺陷,提高杂晶形成的临界抽拉速率,减小晶粒取向偏离。高梯度定向凝固技术能够显著提高高温合金的持久性能,但对于单晶合金在高温下提高幅度较小,低周与高周疲劳性能均明显提高,且降低了数据分散度,但在氧化条件下改善幅度减小。     

Ru对镍基单晶高温合金凝固特性、TCP相析出及蠕变性能影响的研究进展EI北大核心CSCD

镍基单晶高温合金因优异的高温力学性能而被广泛应用于航空发动机和地面燃气轮机的涡轮叶片等关键热端部件。Ru元素作为第四代、第五代镍基单晶高温合金的主要特征元素,其添加对合金从凝固特性到最终的服役性能都起到关键的影响。本文从镍基单晶高温合金的凝固特性、凝固组织、TCP相析出及蠕变性能等方面出发,综述了Ru元素对镍基单晶高温合金影响的研究进展,系统分析了Ru的添加对合金凝固路径、凝固特征温度、微观偏析等凝固特性及共晶、碳化物等凝固组织的影响规律,并重点探究了Ru的添加能抑制TCP相析出及提高合金蠕变性能的原因。目前由于多组元交互作用对组织与性能影响机理的复杂性,使得含Ru高温合金的成分设计与优化具有更高的挑战,建议未来含Ru高温合金的相关研究从富Ru新相的析出原因及抑制、Ru添加对凝固缺陷的影响及Ru与其他元素交互作用对“逆分配”效应及TCP相析出的影响机制等方面做进一步探究,为发展新型高性能含Ru高温合金的设计提供思路。     

化学法细化高温合金K4169的低周疲劳性能研究

采用一种新型中间合金复合细化剂,在常规生产工艺条件下对高温合金K4169铸件进行了晶粒细化.测试了常规工艺和细晶铸造工艺两种试样的常温和中温(700℃)条件下的低周疲劳性能.结果表明,这一新型工艺方法能有效细化高温合金K4169晶粒.细晶试样的室温低周疲劳性能有较大的提高,且数据的分散性有所改善;在中温时,疲劳寿命的优劣和疲劳应变幅有关:在小应变幅条件下,细晶仍然有较高的疲劳寿命,在大应变幅条件下,细晶疲劳寿命比粗晶有所降低,但数据的稳定性较好.