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。     

一种镍基单晶合金高温蠕变期间的变形特征及元素分布

通过对一种6％Re/5％Ru镍基单晶合金进行高温蠕变性能测试、组织形貌观察及三维原子探针成分分析,研究了合金高温蠕变前后的元素分布及蠕变过程中的变形特征.结果表明,完全热处理后Al和Ta元素主要分布在合金的γ'相中.合金在1120℃/165 MPa条件下蠕变断裂后,元素在γ/γ'两相的分布发生改变,其中,Al、Ta、Cr和Co因为氧化作用导致在γ/γ'两相中的浓度均降低.此外,一部分Re、Ru、W和Mo原子富集于γ/γ'相过渡区域附近的γ基体一侧,可引起晶格畸变,增加位错运动的阻力,延缓位错剪切进入γ'相,是含Re/Ru合金具有较好高温蠕变抗力的原因之一.蠕变后期,切入相的位错可由{111}面交滑移至{100}面形成K-W锁,其保留的高数量K-W位错锁可抑制位错滑移和交滑移,是合金有较好蠕变抗力的原因之一.     

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。     

热处理条件对涡轮盘用新型镍基合金组织的影响

目前,下一代涡轮盘用新合金(TMW)正在开发中.该合金是通过将相同相结构的Co-Ti合金(γ-γ'/Co3-Co3Ti)以合适的比例加入到传统镍基超合金U720Li(γ-γ'/Ni3Al型)中,不改变原合金组成相的结构和相稳定性,使强度提高,使用温度提高50℃以上,并且可以采用铸锻法进行加工.本研究以探讨最佳的同溶处理条件为目的,研究固溶处理条件对纤维组织和硬度的影响.     

ICP-AES测定镍基高温合金中主量与杂质元素分析技术

研究了ICP－AES法测定镍基高温合金中Al,B,Co,Cr,Fe,Hf,Mo,Ta,Ti和W等10个元素的分析方法，进行了基体元素Ni及共存元素对10个分析元素的光谱干扰研究，选择了合适的分析谱线和内标线，加入回收率为99．0％－100．4％，方法准确，快速，简便。     

镍基单晶合金组织演化及对晶格错配度的影响

通过对不同状态单晶镍基合金进行组织形貌的观察和X-ray衍射分析,研究了组织演化对合金中γ'、γ两相晶格常数和错配度的影响.结果表明:铸态单晶合金不同区域中γ'相的形貌和尺寸有较大的差别,致使γ、γ'两相的晶格常数及错配度较大;将合金高温固溶处理和空冷后,均匀且细小的立方γ'相自γ基体中析出,使合金中γ'、γ两相的晶格常数及错配度减小;经完全热处理后,立方γ'相均匀长大,并保持共格界面,使γ'、γ两相的晶格常数及错配度略有增加.合金经有或无应力时效后,γ'相发生定向粗化,并在两相之间出现界面位错,使合金中γ'、γ两相的晶格常数及错配度增加.其中,由于外加应力的作用,致使塑性较好的γ相晶格常数增加的幅度大于γ'相.     

NiCuNbCr焊料Ti_3Al/GH4169合金氩弧焊接头的组织及性能

采用钨极氩弧焊方法,使用自行设计制备的NiCuNbCr合金作为焊料,实现Ti3Al基合金与GH4169高温合金异种材料之间的焊接。采用扫描电镜(SEM)及能谱分析(XEDS)等方法对接头横截面的微观组织进行分析。结果表明:GH4169/焊缝界面以及焊缝均主要由Ni元素的固溶体组成,其中固溶了Cu,Fe,Cr,Nb几种元素;而焊缝/Ti3Al界面分为3层组织,其相组成从Ti3Al母材到焊缝方向依次为:固溶了Ni和Cu元素的Ti2AlNb相、Al(Ni,Cu)2Ti金属间化合物及(Nb,Ti,Mo)固溶体;(Ni,Nb,Cr)及Ni(Cu,Ti)固溶体;Ni的固溶体,固溶元素为Cu,Nb和Cr。接头的平均室温抗拉强度为140.7MPa。拉伸试样断裂于被焊Ti3Al母材表面的扩散反应层,它主要由固溶了Ni和Cu元素的Ti2AlNb相与Al(Ni,Cu)2Ti金属间化合物组成,该界面是Ti3Al/GH4169接头的薄弱环节。     

GH742合金中γ''''相粗化动力学研究

采用场发射扫描电镜观察和定量金相分析等方法,研究了GH742合金在900,950,1050℃时效时,基体中γ'相的粗化规律.结果表明:合金在一定温度时效时,基体中初期析出的高密度细小γ'相随时效时间延长逐渐长大为低密度粗大γ'相,即发生Ostwald熟化;在1050℃时效2880min后γ'相形貌出现方化并沿一定方向排列;合金在时效过程中γ'相长大规律符合传统的LSW理论,并且随时效温度增高,γ'相粗化速率增加;用作图法得出了GH742合金中γ'相粗化激活能为(289.53±1.48)kJ/mol,这同Al,Ti等元素在Ni中的扩散激活能相当,说明GH742合金中γ'相的长大粗化主要由Al,Ti等元素在Ni基体中的扩散所控制.     

采用扫描电镜和电子探针研究镍基合金Inconel738

在Inconel738合金中,Nb、Ta、Ti和W的碳化物组成混合型碳化物。然而W的碳化物有离解的趋势。基体中除了存在没有碳化物形成倾向的Ni、CO和Al外,还存在着作为碳化物形成元素的Cr。Cr的这种异常性状要归咎于反应动力学原理。基体中的Cr阻止晶间腐蚀的产生。业已证实由Ni_3Al或Ni_3(Ti,Al)组成的r′相的存在是使Inconel738合金具有高的耐热强度的主要原因。     

一种镍基合金在900和1000℃的高温氧化行为

采用X射线衍射(XRD),扫描电镜(SEM)及能谱(EDAX)等方法,研究了Cr5.0 Co8.0 Mo0.9W5.5 Ta7.4 Al6.0 Re4.2合金在900和1 000℃的氧化行为。结果表明,氧化动力学曲线遵循氧化初期氧化增重速率较快,氧化期间氧化动力学曲线呈波浪式变化,且呈现氧化温度越高波浪式越明显的特征。在900℃氧化300 h后合金表面氧化物膜分为3层,外层为Ni O、Ni2Cr2O4、Ni2Co O4和Cr Ta O4;中间层为平直的Al2O3层,内氧化层为Al2O3,氧化期间,分布在外层的Cr Ta O4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。1 000℃时合金表面的氧化物膜分为2层,外层为Ni O、Ni2Cr2O4、Ni2Co O4和Cr Ta O4;内氧化层为Al2O3。在900和1 000℃氧化期间,合金均发生元素Al的内氧化和内氮化,与外氧化膜相邻的区域为元素Al的内氧化区,远离外氧化膜的基体内部形成元素Al的内氮化区,随氧化温度升高,内氧化区和内氮化区的深度增加,内氧化物和内氮化物的尺寸增大。     

凝固速度对Ni/Ni3Al基高温合金组织演变及相变行为的影响

Ni/Ni3Al基高温合金因其优异的高温强度、抗氧化性能和抗蠕变能力等优点,被广泛应用于航空航天等领域.简要介绍了凝固速度对Ni/Ni3Al基高温合金中γ′,β相以及碳化物等析出相的组织演变及相变行为的影响,为Ni/Ni3Al基高温合金非平衡凝固的研究开发及组织调控提供借鉴和指导.Ni/Ni3Al基高温合金中γ′,β ...     

Ni/Ni_3Al相界的研究进展

镍基单晶高温合金具有优良的高温性能,其结构主要是由具有L12-Ni3Al有序金属间化合物结构的γ′析出相共格沉淀在具有FCC-Ni固溶体结构的γ基体上构成。镍基单晶高温合金中存在大量合金元素以及杂质元素,研究这些元素在相界的占位及其对相界性能的影响和元素之间的相互作用及其对相界的影响具有非常重要的意义。介绍了γ-Ni/γ′-Ni3Al相界的研究进展,分为合金化元素、杂质元素和晶格错配3个方面。     

NiCrAlYSi涂层与镍基高温合金基体互扩散行为研究

采用电弧离子镀方法在镍基高温合金DZ125上沉积NiCrAlYSi涂层,通过对不同氧化时间后Al和Cr原子浓度分布曲线的分析,运用Boltzmann-matano方法,计算了Al和Cr元素在1373K分别加热0.5,2h和5h的互扩散系数,并拟合了这三个时间段的计算结果.结果表明:相同温度下,Al和Cr的互扩散系数分别随Al和Cr的原子浓度增加而增大.随氧化时间的延长,Al的互扩散系数随原子浓度的变化先增大然后基本不变,Cr的互扩散系数则逐渐减小;伴随着元素间互扩散行为的增强,涂层中的Al和Cr向基体扩散,基体合金元素Ni,Co,Mo,Ti和W则向涂层扩散,但涂层中Mo和Ti的含量相对较少.由于元素间互扩散行为,涂层中各元素的含量将趋向于更加均匀.     

真空热处理对NiCoCrAlTaY涂层／Ti62421S钛合金界面组织结构及元素扩散行为的影响

采用电弧离子镀（AII））技术在Ti62421s钛合金基体表面沉积NiCoCrAlTaY涂层。通过XRD、SEM与EDS能谱分析研究了不同真空热处理制度下NiCoCrAlTaY涂层／Ti62421s基体界面显微组织的变化和元素扩散行为。结果表明：沉积态的涂层主要由Cr2Ni3相、Al4Ni15Ta相和NiCoCr相组成。从750℃开始,NCoCrAlTaY涂层和钛合金基体有明显的界面反应,850℃真空热处理后界面出现明显的分层,析出Ni3（A1,Ti）、Ti（Ni,Co）和Ti2（Ni,Co）相;随着温度的升高,界面分层并加厚,同时出现kirkendall空位带,导致涂层退化。经950℃退火后涂层剥落,只有TiCr4相。650℃／3h、750℃／3h真空热处理过程中,涂层／基体界面发生Ni、Co、Ti元素互扩散,涂层中Ta和cr元素基本未向基体扩散。     

0Cr18Ni10Ti不锈钢热浸镀铝及高温扩散后的高温氧化行为

为提高0Cr18Ni10Ti不锈钢的抗高温氧化能力,采用熔剂法在0Cr18Ni10Ti不锈钢表面制备热浸镀铝层,并经950℃、2 h高温扩散。采用SEM、EDS对热浸镀铝高温扩散试样及不锈钢试样900℃氧化不同时间的表面、截面进行了形貌观察及成分分析。结果表明:镀铝高温扩散试样的氧化动力学曲线较平缓且氧化增重较小;0Cr18Ni10Ti不锈钢经900℃、100 h氧化后表面主要由Fe2O3组成,氧沿晶界向内扩散产生内氧化;镀铝高温扩散试样900℃氧化期间,表面主要由Al2O3氧化膜组成,有效地阻止了合金元素与氧的互扩散,Ni元素在Fe Al层与Al固溶层富集阻碍了Fe Al合金层Al向基体扩散,使镀铝高温扩散试样Fe Al合金层经900℃、100 h氧化后Al元素贫化量较少。镀铝高温扩散试样900℃、100 h下的抗氧化性能优于0Cr18Ni10Ti不锈钢。     

溅射Ni11Co26Cr6Al0.5Y涂层对镍基合金在1000 ℃氧化行为的影响

通过对有/无Ni11Co26Cr6Al0.5Y涂层镍基合金在1000℃进行氧化动力学曲线测定,及组织结构观察,研究了Ni11Co26Cr6Al0.5Y涂层对镍基合金高温氧化行为的影响。结果表明:高温氧化期间,合金发生外氧化和内氧化,外氧化层由NiO、NiCrO_4、CoWO_4构成,中间氧化物由TiO_2、Al_2O_3、NiWO_4构成,中间层氧化物层抑制了基体中Al元素向外扩散,形成平直连续的Al_2O_3内氧化物层;合金氧化动力学曲线呈现起伏波动的特征。镍基合金经溅射Ni11Co26Cr6Al0.5Y涂层,可有效改善合金的抗氧化性能;涂层的氧化动力学曲线仅在氧化初期有轻微增重而后趋于平稳,遵循抛物线规律,其形成的Al_2O_3氧化膜未发生明显剥落,仅在涂层内及近涂层/基体界面区域存在少量Al_2O_3内氧化物。     

贮氢材料钒基固溶体合金的研究进展

钒基固溶体合金是一类重要的贮氢材料.概述了金属钒的氢化特性,讨论了钒基固溶体合金有效贮氢量低的原因;综述了合金组元及非金属杂质元素对钒基固溶体合金性能的影响,在吸氢主要元素钒基中添加其它元素(Ti、Ni、Cr、Mn、Fe、Hf、Zr、Nb、Co、Al、Si等)有利于提高合金的贮氢性能.     

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.     

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。     

含Ru铸造镍基高温合金的显微组织

研究了3%（质量分数）Ru对低Cr高W铸造镍基高温合金的影响。对比分析了含Ru和无Ru合金的铸态，1260℃/4h，1260℃/4h 1280℃/4h，1260℃/4h 1300℃/4h固溶热处理和1260℃/4h， 1100℃/100h热暴露试验得到的显微组织。结果表明：Ru的加入不会改变合金中析出相的种类，但会影响γ'相和M6C碳化物的稳定性，使γ'的固溶温度大约降低10℃，并使合金在1100℃下有较强的γ'筏排化倾向。Ru明显抑制合金中初生和次生M6C碳化物的析出，有利于稳定高温合金的显微组织。