新型钴基高温合金成分设计的研究进展

传统钴基高温合金的强化机制为固溶强化和碳化物强化,弱于有序γ′相沉淀强化的镍基高温合金的强化效果,日本学者发现了有序γ′相强化的Co-Al-W系新型钴基高温合金,其强化效果明显优于传统钴基高温合金。由于新型钴基高温合金具有较传统镍基高温合金更高的承温能力以及更加优异的高温抗蠕变性能和抗氧化性能,因此被认为是最具潜力的航空发动机热端材料之一,近年来得到迅速发展。基于国内外学者对新型钴基高温合金的研究成果,系统总结多种合金元素(如Ta, Ti, W和Nb等)对新型钴基高温合金组织和性能的影响。在组织方面,总结合金元素对合金相变温度、γ′相的体积分数及形态、γ′相的尺寸、γ/γ′两相晶格错配度和有害相的影响;在性能方面,总结合金元素对合金抗氧化性能、力学性能及抗蠕变性能的影响,以期为新型钴基高温合金的成分设计提供参考。最后对新型钴基高温合金成分的高效率设计进行展望。     

单晶镍基合金中γ,γ′两相的晶格常数及影响因素

通过对单晶镍基合金的组织形貌观察和XRD谱线分析,研究了元素铼对单晶合金晶格常数及错配度的影响。结果表明:2%Re镍基单晶合金经完全热处理后,其组织结构是由尺寸约为350～400nm的立方γ′相以共格方式嵌镶在γ基体相所组成;在γ,γ′两相镍基合金的XRD谱线中,衍射峰不对称的原因是由于γ,γ′两相衍射峰叠加所致。对不同合金在不同条件下XRD分离谱线的的分析表明,随元素Re含量增加,合金中γ,γ′两相在室温的晶格常数略有增大,而晶格错配度的绝对值减小。随温度提高,合金中γ,γ′两相的晶格常数及晶格错配度的绝对值增大,并进一步测算出合金中γ,γ′两相在不同温度区间的热膨胀系数。     

硼含量对IC10高温合金凝固行为的影响

采用差示扫描量热(DSC)、等温淬火和显微组织分析方法对比分析含硼量为0.005%(质量分数,下同)和0.03%的IC10合金显微组织及组成相的形成过程,研究不同硼含量合金中初生相的析出温度及析出顺序。结果表明:DSC的冷却曲线上可显示出γ、MC碳化物、(γ+γ′)共晶以及次生γ′的析出峰,但微量相M3B2硼化物和Ni5Hf相未能显示。等温淬火法可以确定所有相的析出温度。不同含硼量合金的相组成相同,按形成先后顺序六种相分别为γ、MC、(γ+γ′)共晶、次生γ′、M3B2和Ni5Hf。IC10合金含硼量的增加,显著提高了M3B2和(γ+γ′)共晶的含量(体积分数),使合金液相线和固相线温度降低,同时延缓了MC碳化物和(γ+γ′)共晶的形成。     

FGH95镍基合金的电解萃取及相组成与分布特征

通过对热处理态FGH95合金进行电解萃取,组织形貌观察及XRD分析,研究了FGH95合金的相组成及γ′相的粒度分布.结果表明,经1140℃固溶和时效处理后,合金的组织结构由γ′,γ相,(Nb,Ti)C、( Nb,W)B2,Nb13B2和Cr23C6等碳、硼化物组成,其中合金中γ′,γ基体相的质量分数分别为47.8％和51.2％,其碳、硼化物的质量分数约为1％.合金中晶内为细小γ′相弥散分布,而粗大γ′相沿较宽的颗粒边界区域不连续析出;其中,在36～60nm之间的γ′相粒子质量分数为30.6％,在60～96nm之间的γ′相粒子质量分数为29.1％,γ′相的结构组成式为:(Ni0.896C00.055Cr0.017Fe0.031)3 (Ti0.224Nb0.134Al0.473Mo0.038W0.066 Cr0.064).     

挤压变形和热处理工艺对FGH95合金γ′相析出的影响

γ′(Ni3(AlTi))相强化的镍基粉末高温合金(FGH95)采用热挤压工艺可以明显改善合金晶粒大小、γ′相尺寸、分布以及碎化夹杂物,是一种优良的热加工变形的成型工艺.本工作研究FGH95合金经热等静压 热挤压 热处理工艺处理后强化相γ′的析出行为,以及对合金力学性能的影响.实验结果表明:热等静压温度升高,中等尺寸γ′相平均尺寸增大.热挤压后,热等静压态中的γ′相尺寸发生长大,改变大、中、小γ′相的数量比例.固溶热处理后冷却速度明显影响γ′相尺寸变化,盐浴冷却增加中等尺寸γ′相数量,明显改善合金高温塑性.     

GH742中γ′相和γ基体成分随时效时间和温度的变化规律研究

利用透射电镜能谱法(TEM-EDX)研究了GH742合金中γ′和γ基体两相成分随温度和时效时间的变化规律.结果表明:合金在1050℃时效时,γ′相和γ基体的成分在时效初期变化较大,当时效时间超过1440min后,γ′相和γ基体的成份基本稳定.合金在750～1100℃时效时,γ′相和γ基体的成分均随着温度的升高而发生变化,其中γ基体的成分随温度变化较明显.合金中各元素在γ′和γ两相中的偏析率Cγ′/ Cγ变化规律研究表明:Ti,Al,Nb,Ni等γ′形成元素的偏析率均随着时效温度的升高而降低,而Cr,Co,Mo等γ形成元素的偏析率均随着时效温度的升高而增大.     

一种含4.5%Re/3.0%Ru的单晶镍基合金的高温蠕变行为

通过对含4.5%Re/3.0%Ru单晶镍基合金进行高温蠕变性能测试,并采用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)对不同蠕变期间的试样进行组织形貌观察,研究了该合金的高温蠕变行为。结果表明,本实验所选用的单晶合金在高温蠕变期间具有良好的蠕变抗力,在1040℃/160MPa的蠕变寿命达到725h。高温蠕变初期,合金中γ′相沿垂直于应力轴方向转变成筏状结构,其稳态蠕变期间的变形机制是位错在基体中滑移和攀移越过筏状γ′相。高温蠕变后期,合金的变形机制是位错在基体中滑移和剪切筏状γ′相。位错的交替滑移使筏形γ′相扭曲,并在γ/γ′两相界面发生裂纹的萌生与扩展直至断裂,是合金在高温蠕变后期的断裂机制。     

镍基粉末高温合金中γ′相溶解行为与动力学研究进展

为了满足航空发动机高性能、高热效率的要求，镍基粉末高温合金的合金化程度越来越高，导致合金变形抗力大，热塑性差，热加工窗口窄，从而制约了合金的制备与应用。合金中高体积分数的γ′相在热加工过程中起到组织调控的作用，热加工过程中γ′相的演变影响着合金的热变形行为和热加工性能。了解热加工过程中γ′相的演变规律对调控合金组织和优化热加工工艺具有重要意义。本文以镍基粉末高温合金热加工过程中γ′相的溶解为讨论对象，综述了近年来γ′相的溶解行为及其影响因素、预测模型相关研究工作。目前高体积分数多颗粒体系析出相的溶解机理还不清楚，γ′相溶解过程中是否存在分裂和团聚等行为及其影响机理、热变形过程中位错与γ′相之间的相互作用机理、γ′相溶解动力学等有待进一步研究。     

Ta含量对高性能镍基粉末高温合金高温拉伸性能的影响

使用光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和高温拉伸试验机等手段系统地研究了不同Ta含量FGH98合金的显微组织和高温拉伸性能。结果表明：添加Ta可明显消除原始粉末颗粒的边界(PPB,Prior Particle Boundary),促进二次γ′相形态失稳和三次γ′相数量的增加。加入Ta使合金的高温抗拉强度和屈服强度都有一定程度的提高,Ta含量为2.4%(质量分数,下同)的合金塑性最好;无Ta和1.2%Ta合金的拉伸断口为结晶状断口;2.4%Ta合金的断口上有较多的等轴状韧窝,为韧性断裂;3.6%Ta和4.8%Ta合金为穿晶和沿晶解理断裂,属于典型的结晶状断口。在无Ta合金中产生大量孪晶和位错绕过γ′相发生变形,Ta的加入降低了合金的层错能,随着Ta含量的提高合金的位错剪切γ′相产生大量的层错。     

长期时效处理对镍基高温合金中γ′相形态的影响

对镍基高温合金在700℃/1000h和850℃/1000h进行时效处理,在850℃/1000h时效处理基础上,进行了730℃/20h时效处理,观察了长期时效处理对合金γ′相形态的影响。结果表明:合金在700℃/1000h时效时,γ′相呈球形弥散分布于合金中。在850℃/1000h时效时,γ′相开始产生聚集排列现象,同时γ′相由球形开始向方形转变。经850℃/1000h时效处理后的试样再经过730℃/20h的时效处理后,合金基体中原γ′相呈方形并有细小的γ′相析出。     

热处理对GWZ661变形镁合金组织与性能的影响

采用常规铸造和热形变相结合的工艺制备Mg-6Gd-6Y-1Zn四元镁合金,并对其显微组织和力学性能进行较系统的研究。结果表明:合金的铸态组织主要由α-Mg,Mg24(GdYZn)5和具有18R-LPSO结构的Mg12Y1Zn1相组成。合金热挤压过程中Mg12Y1Zn1相被拉长,呈长条状沿挤压方向排列,而14H-LPSO相则分布于Mg12Y1Zn1相之间。挤压态合金在高温固溶处理后,Mg12Y1Zn1相溶入基体,而基体中的14H-LPSO相增加。挤压态合金经固溶和时效(T6)处理后,显微组织中呈现18R-LPSO,14H-LPSO结构和β′沉淀颗粒共存。对挤压后的合金直接进行时效(T5)处理过程中也发生了β′沉淀,但14H-LPSO相体积分数没有T6态多。合金在T6态的性能最好,强度和塑性达到了良好的匹配。     

FeNiCr WMoTi合金中γ′数量和尺寸及其强硬化效应

研究了Fe 2 8Ni 13Cr 1W 1.5Mo 2Ti 0 .5Nb 0 .2Al高温合金不同时效状态下γ′相的数量和尺寸对强硬化效应的影响。在 16h时效条件下 ,随时效温度升高 (在 6 5 0～ 730℃ ) ,由于γ′粒子尺寸增大速率较小 (从 7～ 14nm ) ,其数量显著增多 ,因而合金的硬化效应增大 ;温度在 730～76 0℃时 ,在位错的Orowan绕过机制启动之前 ,虽然γ′相数量随时效温度升高继续增多 ,但由于尺寸显著增大 ,合金的硬化效应明显降低。在位错以切割方式通过γ′粒子的尺寸范围内 ,沉淀出精细γ′粒子的合金状态比析出相同数量粗大γ′粒子的合金状态具有更高的室温硬化效应     

一种4.5%Re镍基单晶合金在980℃蠕变期间的变形与损伤机制

通过蠕变性能测试和组织形貌观察,研究了一种Re含量为4.5%Re(质量分数,下同)的镍基单晶合金的高温蠕变行为、变形和损伤机制。结果表明,4.5%Re合金在980℃/300MPa的蠕变寿命为169h。蠕变初期,合金中立方γ′相转变为垂直于应力轴的N型筏状结构。稳态蠕变期间,合金的变形机制为位错在基体中滑移和攀移越过筏状γ′相。蠕变后期,合金的变形机制为位错在基体中滑移和剪切进入筏状γ′相。由于γ基体通道较窄,位错在基体通道中滑移所需的阻力较大。剪切进入γ′相的110超位错可由{111}面交滑移至{100}面,形成K-W锁,从而抑制位错的滑移和交滑移,这是合金具有较好蠕变抗力的主要原因。主/次滑移位错的交替开动,可致使筏状γ′相扭曲,并促使裂纹在筏状γ/γ′两相界面萌生;裂纹沿垂直于应力轴方向扩展,直至断裂,这是合金的蠕变断裂机制。     

Re对单晶高温合金蠕变过程中γ′相定向粗化的影响EI北大核心

通过对三种Re含量不同的单晶高温合金1100℃/140MPa蠕变实验及组织分析,研究了Re对单晶高温合金蠕变过程中γ′相定向粗化的影响。结果表明,在单晶高温合金蠕变过程中,Re促进形成完整、细密、连续的γ′筏排组织,降低合金元素扩散速率,延缓γ通道厚度的增加,降低γ′相体积分数的减小速率,从而稳定了对合金高温强度起重要作用的γ′相,使γ′相的强化作用持续较长时间。     

Ru对第四代镍基单晶高温合金DD22长期时效组织演化的影响EI北大核心CSCD

利用透射电镜和场发射扫描电镜研究了两种不同Ru含量(3%和5%,质量分数)的第四代镍基单晶高温合金DD22在1130℃长期时效过程中γ′相形貌演化、TCP相析出和界面位错网的演化情况。研究结果表明:在完全热处理后5Ru合金比3Ru合金的γ′相尺寸更小,形状更规则,γ/γ′相界面的错配度更大,高Ru含量使合金Re,Mo等元素出现反分配现象;5Ru合金在1130℃长期时效过程中γ′相粗化速率、溶解速率和形筏速率均低于3Ru合金;5Ru合金在长期时效1000 h后仍没有TCP相析出,而3Ru合金在时效50 h后便析出TCP相,随着长期时效时间延长,TCP相数量增多,尺寸增大;与3Ru合金相比,长期时效1000 h后5Ru合金γ′/γ界面位错网更加致密和规则;综上所述,Ru的元素反分配作用和低的扩散系数使5Ru合金比3Ru合金表现出更高的组织稳定性。     

Ni-25Cr-20Co合金时效组织结构及性能研究

在Thermo-Calc热力学软件模拟计算基础上,采用光学显微镜、扫描电子显微镜、能谱检测和透射电子显微镜研究了Ni-25Cr-20Co合金在长期时效过程中析出相的变化情况及对性能的影响,理论分析了γ′相颗粒粗化对合金拉伸变形过程中第二相与位错交互作用机制的影响。结果表明:经750℃时效后合金中析出MC、M_(23)C_6和γ′相,γ′相的体积分数约为16%。长期时效后,γ′相颗粒的平均尺寸与时间t符合LSW理论,受溶质原子扩散及γ/γ′界面能的影响。时效后合金的拉伸强度明显增加,随时效时间的延长,拉伸强度逐渐降低。随γ′相的粗化,拉伸变形过程中第二相与位错交互作用的机制由位错热攀移机制→位错切割机制→Orowan绕越机制转变为位错热攀移机制→Orowan绕越机制→位错切割机制。     

FGH95粉末镍基合金的组织结构与蠕变断裂特征

通过对不同工艺处理FGH95合金进行组织形貌观察及持久性能测试,研究了组织结构对合金持久性能的影响规律。结果表明:经1150℃固溶和时效处理后,合金中有粗大γ′相在较宽的边界区域不连续分布,其周围存在γ′相贫化区;经1160℃固溶及时效处理后,合金中粗大γ′相完全溶解,在晶内弥散分布高体积分数的γ′相,并有粒状(Cr,Nb)23(C,B)6硼碳化合物在晶内及沿晶界不连续析出;经1165℃固溶和时效后,合金的晶粒尺寸明显长大,并有硬而脆的碳化物膜沿晶界连续析出。在650℃、1034MPa条件下,经1160℃固溶和时效合金具有较高蠕变抗力和较长持久寿命,蠕变期间的变形机制是位错以Orowan机制饶过γ′相、或位错剪切γ′相,其中晶界处不连续析出的粒状碳化物可有效阻碍位错滑移,是使合金具有较好蠕变性能的主要原因。蠕变后期,合金的变形特征是晶内发生单取向滑移,随蠕变进行位错在晶界处塞积,并引起应力集中,致使裂纹在晶界处萌生及扩展是合金的蠕变断裂机制。     

一种含4.2%Re单晶镍基合金的蠕变行为与组织演化规律

通过蠕变曲线测定及组织形貌观察,研究了一种含4.2%Re镍基单晶合金的蠕变行为和组织演化规律。结果表明:单晶合金在试验的温度和应力范围内,对施加应力和温度有明显的敏感性,并测算出合金在稳态蠕变期间的激活能和应力指数。在蠕变初期,合金中γ′相沿垂直于应力轴方向形成N-型筏状结构,蠕变断裂后在远离断口区域形成的筏状γ′相逐渐转变成扭曲形态,在近断口区域的筏状组织转变成与施加应力轴方向呈近45°角度倾斜。合金在稳态蠕变期间的变形机制是位错攀移越过γ′相,位错的攀移通过割阶沿位错线运动而逐步实现;而在蠕变后期,合金的变形机制是位错剪切筏状γ′相。     

镍含量对Co-8.8Al-9.8W合金中γ′相高温粗化的影响

为了研究镍含量对Co-Al-W高温合金中γ′强化相高温粗化的影响,采用场发射SEM观察、图像分析等方法对不同镍含量(5%、15%、25%、35%(原子分数))Co-8.8Al-9.8W基高温合金在1 000℃下经5h、10h、15h和25h时效处理后,合金中γ′相形貌的演变及粗化行为进行研究。结果表明,延长时效时间,γ′相快速长大,体积分数逐渐减小。当Ni含量为5%和15%时,时效时间为10h,γ′相基本溶解消失;当Ni含量为25%和35%时,γ′相形貌随着时效时间的延长从最初的立方状转变为不规则形状,最后趋于圆球状,γ′相尺寸也随之增加。此时,γ′相的粗化行为符合LSW粗化理论。25Ni合金的粗化速率明显高于35Ni合金的粗化速率。     

稀土Y,Ce对K418镍基高温合金微观组织的影响EI北大核心CSCD

采用高真空电弧熔炼炉熔炼,制备了K418镍基高温合金。借助SEM对合金的组织进行观察,用EDS对合金中的相成分进行分析,研究了稀土元素Y,Ce对合金中气孔缺陷、γ′相以及(γ+γ′)共晶相等的影响。结果表明:添加稀土元素明显减少了合金中的气孔缺陷,提高了合金的致密度,细化了合金枝晶组织。组织中碳化物的形态由大块状变为链状和小块状,γ′相尺寸变小且颗粒数目增多。Y元素的加入能使合金中的(γ+γ′)共晶相数目增加。但同时加入Y,Ce两种稀土元素后共晶相数目的增加更为显著。