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。     

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。     

MAR-M247合金高温断裂机制的原位研究

利用原位高温拉伸台在扫描电镜中研究了镍基铸造高温合金MAR-M247在室温、400 ℃与760 ℃拉伸过程中的动态组织演变和断裂机制。原位测试结果表明,在室温到760 ℃范围内,MAR-M247合金的屈服强度与抗拉强度随温度的升高略有下降,拉伸塑性略有提高。室温原位拉伸过程中,并没有出现滑移带;400 ℃与760 ℃的原位拉伸,只在样品断口附近存在少量的滑移带。随拉伸温度的提高,合金的断裂机制并无明显变化,均表现为韧性穿晶断裂。合金的微裂纹主要来源于变形过程中碳化物的破裂,晶内与晶界都存在因碳化物破裂而形成的微裂纹。     

镍基高温合金微孪晶形成机制的研究进展

镍基高温合金具有优良的成分兼容性、良好的组织稳定性、抗氧化和抗腐蚀性能,被广泛用于航空发动机和地面燃气轮机的涡轮叶片等关键的热端部件。沉淀相γ'对位错运动的阻碍是镍基高温合金的主要强化作用之一。一般而言,这种阻碍作用不仅与γ'相的形貌、体积分数及尺寸有关,也取决于γ'相与位错的交互作用。通常这种交互作用机制可分为三种:切割机制、Orowan绕过机制和热激活攀移机制。当不同类型的位错切割γ'相时,在γ'相中会形成不同的高能缺陷,能够阻碍位错运动,延缓材料软化。这类结构或成分缺陷包括:反相畴界(APB)、复杂层错(CSF)、超点阵内禀层错(SISF)、超点阵外禀层错(SESF)和微孪晶。微孪晶化(Micro-twinning)是镍基高温合金中一种重要的变形机制,主要发生在中温高应力条件下。此外,中温拉伸变形过程中也有微孪晶产生。早期研究表明,微孪晶的产生与SESF有关,可以认为SESF是"胚体孪晶",且SESF是由a/3〈112〉超点阵不全位错切入γ'相产生的。基于溶质原子短程扩散的原子重排(Reordering)机制被用来解释微孪晶的形成,即a/6〈112〉不全位错切入γ'相中先产生CSF,而后CSF通过原子重排转变为SESF,最终形成微孪晶。最近的研究表明,在微孪晶产生过程中,Co和Cr原子会在成分偏析和柯氏气团的作用下发生长程扩散,因此有学者指出微孪晶的形成是原子重排短程扩散机制和偏析主导的长程扩散共同作用的结果。同时,对于高温合金微孪晶机制的研究,研究人员不再局限于其形成机制,而对微孪晶的长大机制有了进一步的理解。共格的纳米孪晶界作为金属材料中的一种特殊缺陷,可以有效阻碍位错运动,从而强化材料,这种强化方式已经在纳米铜、TWIP钢以及Ti Al合金中得到应用。研究人员发现,孪晶能够强化固溶强化的镍合金;同时,有学者发现镍基高温合金中退火孪晶界对位错运动有明显的阻碍作用。因此,微孪晶化有望成为一种强化镍基高温合金的方法。本文归纳了镍基高温合金中微孪晶形成机制的发展和演变,分析了不全位错、内禀层错、外禀层错、复杂层错、元素偏析以及柯氏气团(Cottrell atmospheres)在微孪晶化中所起的作用,同时也阐述了孪晶界面处元素偏析在孪晶长大中的作用。此外,本文还综述了微孪晶在镍基高温合金强化中的作用,指出了通过微孪晶强化高温合金过程中存在的问题,展望了微孪晶在高温合金强化中的应用,为研究高温合金的中温变形机制和孪晶强化机制提供参考。