Nickel-Based Single-Crystal Superalloys (Ni,Co)-Al-(Ta,Ti)-(Cr,Mo, W) Designed by Cluster-Plus-Glue-Atom Model and Their 1000 h Long-Term Ageing Behavior at 900 degrees CEI北大核心CSCD

It has been pointed out recently that the compositions of industrial alloys are originated from cluster-plus-glue-atom structure units in solid solutions. Specifically for nickel-based superalloys, after properly grouping the alloying elements into Al, Ni-like ((Ni) over bar, including Ni, Co, Fe, Re, Ru and Ir), gamma '- forming Cr-like ((Cr) over bar (gamma '), including Ta, Ti, V, Nb), and gamma-forming Cr-like ((Cr) over bar;(gamma), including Cr, Mo and W), the optimal formula for single-crystal superalloys has been established [Al-(Ni) over bar (12)] (Al-1(Cr) over bar (gamma ')(0.5)(Cr) over bar (gamma)(1.5)). In this work, the first generation single-crystal superalloys were investigated on the basis of the proposed formula, by using (Ni) over bar=(Ni and Co), (Cr) over bar (gamma ')=(Ta and Ti), and (Cr) over bar (gamma)=(Cr, Mo and W). Two series of alloys were designed, formulated respectively as group A: [Al-Ni11Co1] (Al1TaxTi0.5-xCr1W0.25Mo0.25), with x=0, 0.25 and 0.5 (the corresponding mass fractions of Ta and Ti are respectively 0Ta-2.65Ti, 4.82Ta-1.26Ti and 9,32Ta-0Ti), and group B: [Al-Ni12-yCo gamma](Al1Ta0.25Ti0.25Cr1W0.25MO0.25), with y=1.5, 1.75, 2 and 2.5 (the corresponding mass fractions of Co are respectively 9.43Co, 11Co, 12.57Co and 15.71Co). The single-crystal superalloys were prepared using selector technique. And then they underwent the following tests of incipient melting, standard heat treatment and 1000 h long term ageing at 900 degrees C. It is found that: (1) In group A, with increasing Ta content (decreasing Ti), all the incipient melting temperatures are increased to above 1330 degrees C, and to the highest value is between 1335 degrees C and 1340 degrees C for alloy 9.32Ta-0Ti; the gamma(')gamma(') lattice negative misfits after standard heat treatment are reduced from -0.262% (0Ta-2.65Ti) to -0.247% (9.32Ta-0Ti); the gamma(') coarsening tendency after long-term ageing is deduced, and alloy 9.32Ta-0Ti has the lowest coarsening rate (K=5.6x10(-5) mu(3)/h). (2) In group B, the Co content does not influence the incipient melting temperature (always above 1330 degrees C) and the coarsening rate of gamma(') after long-term ageing. The major role of Co is to increase the mean size of the gamma(') precipitates to about 0.55 pm and the gamma(') volume fraction to about 69% after the standard heat treatment. These two groups of alloys have their gamma(') coarsening rates approaching the level of third-generation single-crystal superalloys (K approximate to(2.08 similar to 3.82)*10(-5) mu m(3)/h).     

一种定向凝固镍基高温合金950℃长期时效1000h的组织演变(英文)

研究一种用于燃气轮机叶片的定向凝固镍基高温合金在950℃长期时效1000后的组织演变。结果表明:随着时效时间的延长,在枝晶和枝晶间的γ’相变得更加有规则,而且γ’相的质量分数和尺寸也随着时效时间的延长而逐渐增加。在时效过程中,MC型碳化物的边缘部分发生溶解,而由其提供的碳元素与析出的Cr元素在晶界处形成M23C6型碳化物。玫瑰状的γ′/γ共晶部分溶解进入基体,时效过程也促进其向筏形γ′转变。合金经过1000h时效后,结构总体上是稳定的,没有发现针状的TCP相。     

DD98M镍基单晶高温合金900℃高周疲劳行为

研究了无Re第二代单晶高温合金DD98M在900℃时的高周疲劳性能.结果表明:该合金的疲劳寿命随着应力水平的升高而减小,且缺口降低了合金的疲劳强度和疲劳寿命,900℃时光滑和缺口试样的疲劳强度分别为574和360 MPa;利用扫描电镜(SEM)观察疲劳试样的断口形貌,发现缺口试样为多裂纹源断裂,裂纹主要萌生于缺口根部应力集中区域,而光滑试样为单一裂纹源断裂,裂纹源起始于试样表面、次表面疏松处或碳化物处;利用透射电镜(TEM)观察疲劳变形后的位错组态,发现光滑试样中主要以基体通道中的位错滑移为主,高应力水平下会出现位错对切割γ′相,而缺口高周疲劳在高应力下主要变形机制为不全位错切割γ′相形成层错.     

Re和Ta对抗热腐蚀单晶高温合金900℃长期时效组织稳定性的影响

开展了不同Re和Ta含量抗热腐蚀单晶高温合金900℃长期时效的实验研究,定量分析了0～7500 h时效过程中γ′形貌、尺寸的演化和拓扑密排(TCP)相析出规律。结果表明,2Ta2Re、5Ta0Re、5Ta2Re、8Ta0Re和8Ta2Re 5种合金中,随Ta和Re含量增加,γ′相尺寸变小,且γ′相粗化速率变慢,粗化速率分别为:1.445×10-5、1.569×10-5、1.390×10-5、1.465×10-5和1.384×10-5μm3/h。提高Ta和Re的含量可以降低合金的有效扩散系数并增加扩散激活能,从而降低粗化速率,其中Re的作用更显著。时效2000 h后,含Re合金依次析出了TCP相,高Ta含Re合金析出较严重。Ta和Re交互作用影响了γ和γ′两相元素的分配行为,其中8Ta2Re合金Ta进入γ′相使其晶格常数变大的同时,也促进了Re、W、Cr等元素在γ基体中的分配,促进TCP相析出。     

含铼镍基单晶高温合金在900℃的循环氧化行为

采用X射线衍射(XRD),扫描电镜(SEM)及能谱(EDAX)等手段,研究了一种含铼镍基单晶高温合金在900℃的高温循环氧化行为.结果表明,在氧化初期合金的氧化质量增加较快,随着氧化时间延长氧化增重和失重交替进行,氧化动力学曲线不符合抛物线规律.高温氧化期间,合金发生明显的外氧化和内氧化,900℃氧化形成的氧化膜由三层组成,外层氧化膜由NiO、A12O3和(Ni,Co)Cr2O4组成;中间层为平直的CrTaO4及AlTaO4层;内层氧化物为Al2O3.在合金的氧化期间,分布在中间层的富Re、Ta和W相可抑制基体中Al向外扩散,并抑制氧化膜的生长,使氧化速度降低.     

Al、Ti和Ta含量对镍基单晶高温合金时效组织的影响

研究了几种不同含量γ′相形成和强化元素(Al、Ti和Ta)的单晶高温合金在热处理以及长期时效处理后的组织演化.结果表明:在经过相同的热处理后,随着Al、Ti和Ta总含量的增加,γ′相的尺寸逐渐增大,γ′相形貌由圆形向立方形再向不规性形状转变.在950 ℃的长期时效处理过程中,γ′相的尺寸明显增大,立方度降低,直到1000 h,γ′相也没有发生连接和形筏.1050 ℃、500 h后,γ′相形貌尺寸明显增大、立方度降低.合金A和E仍保持原来形状,合金B、C和D的γ′相发生连接和形筏.在2种时效条件下,合金E中均有TCP相(μ相)析出.     

高Cr镍基单晶合金1050℃的高温氧化性能

采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)及能谱(EDAX)等手段,研究了一种高Cr镍基单晶高温合金在1050℃的高温氧化行为.结果表明,氧化初期合金增重迅速,氧化增重不遵循抛物线规律,表面氧化膜出现剥落,氧化过程由形成Al2O3和Cr2O3所控制.高温氧化期间,合金发生明显的外氧化和内氧化,外氧化膜Cr2O3和(Ni,Co)Cr2O4组成,内氧化物为Al2O3.在内氧化物上方出现贫Al富Ta区,元素贫化区尺寸随时间的延长而增大,富Ta相抑制基体中Al向外扩散,并抑制氧化膜生长.     

K480铸造镍基高温合金900℃高温时效过程中晶界粗化行为研究

铸造K480镍基高温合金经固溶、时效处理后,在900℃长期时效3000 h.分别用OM和SEM对合金的晶界组织进行了观察,用EDS对合金中相的成分进行了测量.结果显示,K480合金的晶界为曲折的锯齿形晶界,该晶界由含碳化物晶界及含γ’晶界两部分构成.随着时效时间的延长,两部分晶界均发生粗化.其中含碳化物晶界中的MC碳化物分解形成M₆C相和η相,并随时间长大;而含γ’晶界中不连续γ’相逐渐相连并形成γ’相条带.含碳化物晶界的粗化比要高于含γ’晶界,且随时效时间延长,二者的差异变大.用Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov（JMAK）方程量化了时效过程中碳化物晶界和-γ’晶界随时效时间的粗化行为,实验数据与计算结果吻合,表明二者的粗化行为随时间的演变规律是遵循着JMAK方程的变化形式.     

980℃长期时效对DD5镍基单晶高温合金组织与性能的影响

研究了二代单晶高温合金DD5在980℃无载荷时效处理后的组织及性能变化。结果表明:DD5合金980℃时效后组织基本稳定,5000 h时效后未发现TCP相的析出。980℃时效中,150 h时效后γ'相呈规则立方状并未发生明显长大,平均尺寸达到约0.5μm,1000 h时,γ'相基本呈立方形态分布,但平均尺寸约1μm,2500 h时γ'相粗化明显,5000 h时基本形成筏状组织。时效后,初生碳化物发生分解并有次生碳化物析出,包括点棒状MC(1),块状富Hf的MC(2),细小质点状M23C6。870℃抗拉强度值随时效时间延长逐渐下降,1000 h后下降5.5%,而5000 h后下降9.8%。持久寿命随时效时间延长呈逐渐递减趋势:980℃/207 MPa的持久寿命,1000 h后下降19%,5000 h后下降了43%;1070℃/140 MPa的持久寿命1000 h后下降38%,5000 h后下降了52%;1093℃/158 MPa的持久寿命1000 h后下降31%,5000 h后下降了52%。     

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。     

(W+Mo)/Cr比对铸造镍基高温合金时效组织和持久性能的影响

利用真空冶炼制备了不同(W+Mo)/Cr比(质量比)的铸造镍基高温合金,采用OM,SEM和TEM观察了合金试样的微观组织,研究了(W+Mo)/Cr比对合金组织演化和持久性能的影响.结果表明,(W+Mo)/Cr比对热处理态组织无明显影响,主要组成相为g基体、g'相、初生MC和晶界二次碳化物.长期时效期间,合金试样的组织演化主要包括g'相粗化、拓扑密排相(TCP)相析出、MC分解和晶界粗化.随(W+Mo)/Cr比降低,MC的热稳定性明显降低,晶界粗化程度升高,晶界碳化物发生了M6C→M6C+M23C6→M23C6的转变.同时,TCP相的析出量明显减少.当(W+Mo)/Cr比为0.22时,无TCP相析出.另外,(W+Mo)/Cr比由高于0.55降低至0.37时,TCP相的种类由m相转变为了m与s相共存.g'相和晶界粗化及TCP相的析出是引起合金持久性能降低的主要原因.综合(W+Mo)/Cr比对合组织演化和持久性能的影响得出,(W+Mo)/Cr比约为0.37时,合金具有最佳的持久性能.     

新型镍基高温合金在950℃和1000℃的氧化行为

利用热重分析法、XRD和SEM(EDX)研究了1种新型镍基高温合金在950℃和1000℃的高温氧化行为。合金在950℃氧化时，氧化增重遵循抛物线规律，表面氧化膜无剥落，在1000℃氧化时表面氧化膜出现剥落，仍近似遵循抛物线规律。氧化膜由Cr2O3，Ni，Co)Cr2O4，TiO2，SiO2和Al2O3组成，并有内氧化现象发生。合金在1000℃的氧化速度比在950℃时约高出1个数量级。根据氧化膜的组成进一步分析了合金的氧化机理。     

长期时效条件下Ta/(Ta+Ti)变化对镍基高温合金铸态组织与性能的影响

在DD98M镍基高温合金的基础上,保持合金中γ"相形成元素(Ta+Ti)总量不变,利用真空感应熔炼制备A1- Ta/(Ta+Ti)=0、A2- Ta/(Ta+Ti)=0.34、A3- Ta/(Ta+Ti)=0.66、A4- Ta/(Ta+Ti)=1四种合金,并对铸态合金进行固溶时效和1273 k下的长期时效。采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、电子探针(EPMA)等测试方法对时效后的组织进行研究,分析高温长期时效和Ta/(Ta+Ti)变化对合金铸态组织和性能的影响规律。结果表明,长期时效会引起γ"相的部分分解,促进元素扩散,加剧元素偏析。随长期时效时间的延长,γ"相粗化长大,硬度降低,错配度绝对值减小,γ"相立方度降低。随Ta在(Ta+Ti)中占比增加,错配度绝对值减小,γ"相立方度降低,硬度增加,长期时效条件下Cr、Mo、W、Ta偏析加剧,Ti偏析得到缓解,Ta的加入会将W排挤至γ相。A2和A3合金长期时效后在晶界处有σ相和MC型碳化物析出,A1和A4合金长期时效晶界无析出,即Ta和Ti的协同作用会促使σ相和MC型碳化物的析出。A2合金有着相对高的γ"相体积分数、γ"相立方度、硬度和强度,最小的γ"相尺寸和最高的延伸率,因此四种合金中A2合金有着最好的综合力学性能。     

石墨含量对镍基高温合金在900 ℃氧化行为的影响

采用粉末冶金方法制各不同石墨含量(0%、3%、6%)的镍基高温合金,研究合金材料在900℃和100 h下的恒温氧化行为,用扫描电镜和X射线衍射对其氧化表面形貌和成分进行观察和分析.结果表明:石墨含量较低(0%,3%)时,镍基合金氧化动力学符合抛物线规律,表面氧化膜无剥落;石墨含量为0%的合金氧化膜由Cr2O3和NiCr2O4组成,石墨含量为3%的合金氧化膜由Cr2O3组成,当石墨含量增加到6%时,大量石墨的氧化分解导致合金初始氧化严重,石墨分解后的孔洞加速氧化反应过程.根据氧化膜的组成分析了合金的氧化机制.     

Ta对低Cr高W铸造镍基高温合金显微组织的影响

用金相显微镜、定量金相、扫描电镜(SEM)、能谱分析(EDX)及X射线衍射(XRD)研究了0％，4％，6％Ta(质量分数)3种成分的低Cr高W铸造镍基高温合金铸态及热暴露后的显微组织，结果表明：Ta是强MC碳化物形成元素，它形成MC碳化物的倾向低于Nb、高于Ti，当合金中Ta的原子百分含量超过Nb3倍时，Ta在MC碳化物中的原子百分含量超过Nb。Ta是强γ'形成元素，它促进共晶γ’的形成，在合金成分中以等量原子百分含量的Ta代替Al不会改变合金的共晶γ'数量。在高W铸造高温合金中M6C是比MC更加稳定的碳化物，Ta的加入不能抑制1100℃，500h长时热暴露后MC完全转变为粒状或片状M6C。MC分解时释放的碳还促使σ(W,Mo) C→M6C反应。对Ni-1．5Cr-10Co-16W-2Mo-5Al-1Ti-1Nb基础成分合金，其最佳的含Ta量为4％(质量分数)，而且含碳量应低于0．07％(质量分数)。     

Al、Ti、Ta对镍基单晶高温合金组织和性能的影响

利用ISP 05 DS/SC定向单晶炉拉制单晶试棒,研究了Al、Ti、Ta含量对镍基高温合金组织和性能的影响.研究结果表明,铸态组织中Al、Ti、Ta主要分布于γ'相中.Al、Ti、Ta含量的提高可以提高Co、Cr、Mo在γ基体中的溶解度,同时,随着Al、Ti、Ta含量的提高,合金的固溶温度提高,错配度增大,γ'增强相的形貌也由椭球形转为方形.高温持久试验结果表明,Al、Ti、Ta含量的增加可以提高合金的持久寿命.     

Nb/Ti比对铸造镍基高温合金长期时效组织演化的影响

采用OM,SEM和TEM等手段,分析了Nb/Ti比对铸造镍基高温合金长期时效微观组织演化的影响.结果表明,在长期时效期间,Nb/Ti比对g'相形貌演化和粗化影响不大,但对g'相体积分数有一定影响.初生MC中Nb/Ti比和(Nb+Ti)/(W+Mo)比与合金Nb/Ti比具有很好的线性关系.随合金Nb/Ti比下降,2个比值线性下降,使MC分解程度提高,热稳定性降低;但是,2个比值的显著改变并不能导致MC分解程度的大幅变化,还存在其它因素对MC热稳定性具有重要影响.MC的分解程度可通过分解前后体积分数的变化来计算,而热稳定性强弱则可由分解程度来定量表达.Nb/Ti比降低,晶界粗化更加严重,晶界析出M23C6的倾向增大,析出M6C的倾向减小.但是,合金中m相的析出演化行为并未受到Nb/Ti比的明显影响.     

镍基单晶高温合金的动态再结晶(英文)

利用高温蠕变试验,研究SRR99单晶高温合金在低应变速率下的动态再结晶行为。结果显示,在大气环境且无涂层保护的情况下,长时间高温低应力作用会使单晶合金发生动态再结晶,动态再结晶的温度和临界应变量均低于静态再结晶,再结晶晶粒均位于试样边缘的γ′相贫化层内,再结晶深度较浅,一般不超过15μm。在高温低应变速率下,再结晶以完整晶粒的形式发生,晶粒内无条状γ′相存在。单晶合金在高温低应变速率下的动态再结晶行为主要与高温氧化有关。在实际服役条件下,表面涂层可有效抑制动态再结晶的发生。此外,还利用高温压缩试验,研究了SRR99单晶合金在高应变速率下的动态再结晶行为。在高应变速率下,单晶合金发生动态再结晶的温度和临界应变量均显著提高,再结晶以胞状组织的形式发生,晶胞内含有大量粗大的条状γ′相。     

高温时效对镍基单晶高温合金的组织演化行为的影响（英文）

研究了高温时效对一种镍基单晶高温合金组织演变行为的影响。使合金在980,1050,1100℃,进行20,50,100 h的短期时效及在1100℃下进行200~800 h的长期时效,采用扫描电子显微镜进行组织形貌的观察、电子探针显微分析仪分析TCP相的成分,并对时效后的试样进行硬度测试。试验结果表明:在短期时效时,γ'相的粗化符合扩散控制理论的长大规律,即r3与t成正比,可求得不同温度的粗化长大系数;在长期时效下,1100℃时效400 h后,筏排状的γ'相形成且有TCP相析出,TCP相中富含Re和W元素;此外,在1050℃时效50 h及在1100℃时效20和100 h后,合金中也有TCP相的析出;硬度结果显示,不同时效条件的试样硬度值没有明显变化。     

扫描电镜下一种镍基单晶高温合金 长期时效过程中的界面位错演化

利用场发射扫描电镜观察分析了一种镍基单晶高温合金在长期时效处理过程中的位错网演化过程.结果 表明:在1100℃时效过程中合金γ/γ'界面形成了大量界面位错,界面位错反应形成位错网.随着长期时效时间的增加,界面位错网的间距逐渐减小.随着位错反应的进行,部分初始为四边形的界面位错网逐渐转化为八边形,最后形成方形位错网.界面...