一种单晶高温合金的高温蠕变性能

在真空定向凝固炉中采用螺旋选晶法制备了一种镍基单晶高温合金,研究了合金在不同温度和应力下的高温蠕变性能,用扫描电镜和透射电镜研究了合金蠕变断裂组织。结果表明,在1 070~1 120℃温度范围内,120~140 MPa应力条件下,合金具有良好的蠕变性能和较高的承温能力。随着加载应力或者温度提高,合金的应变速率增大,蠕变寿命降低。合金在高温蠕变过程中形成了筏排组织,随着加载应力或者温度提高,筏排的厚度增加。不同条件的蠕变过程中都析出了少量的针状σ相,它主要含有Re、W、Mo等元素。高温下合金蠕变变形机制为位错绕过机制,在γ/γ′相界面形成了高密度的位错网。     

Ta对一种抗热腐蚀镍基单晶高温合金长时热暴露组织和蠕变性能的影响

为进一步提高燃机叶片的服役温度,获得综合性能更优的镍基单晶高温合金,本工作研究了Ta含量对镍基单晶高温合金在900℃长时热暴露过程中组织损伤和性能退化规律的影响。利用SEM和TEM-EDS分析了Ta含量对抗热腐蚀镍基单晶高温合金微观组织及900℃、275 MPa蠕变性能的影响。通过对比相同热暴露时间的不同Ta含量合金(2Ta、5Ta和8Ta)组织发现,随Ta含量的增加,γ’相尺寸无明显变化,但立方度有所提高,γ基体中的三次γ’相数量减少。随Ta含量由2%增加到5%,除热暴露4000 h时2种合金γ’相体积分数较为接近外,其余热暴露时间下5Ta合金的γ’相体积分数均高于2Ta合金;Ta含量进一步增加至8%,热暴露不同时间后γ’相体积分数均有所增加。随热暴露时间的延长,3种合金的900℃、275 MPa蠕变性能变化趋势存在差异：2Ta合金热暴露0～4000 h无明显变化,热暴露8000 h后性能明显降低;5Ta和8Ta合金的持久寿命均随热暴露时间的延长先升高后降低,分别在热暴露500和2000 h时达到峰值。随Ta含量的增加,合金稳态蠕变速率不断降低、蠕变寿命明显延长、峰值蠕变寿命向后推移...     

[111]取向镍基单晶合金的组织结构与蠕变行为

通过蠕变曲线的测定及微观组织形貌观察,研究[111]取向镍基单晶合金在高温低应力条件下的组织结构与蠕变行为。结果表明:经完全热处理后,[111]取向单晶合金的组织结构是立方γ′相以共格方式嵌镶在γ基体中,并沿100方向规则排列;在1 040~1 080℃、137~180 MPa的温度和应力范围内,该取向单晶合金表现出明显的温度和施加应力敏感性。蠕变期间,γ′相沿与应力轴呈一定角度形成筏状组织,蠕变后期在近断口区域筏状γ′相发生粗化和扭折。[111]取向单晶合金在蠕变期间的变形特征是位错在γ基体通道中运动和剪切筏状γ′相,由于形变量较大,较多位错切入筏状γ′相后使其形成亚晶结构,其中,蠕变后期大量位错切入筏状γ′相导致合金的蠕变抗力降低,是合金发生蠕变断裂的主要原因。     

Microstructure Evolution of A Pre-compression Nickel-Base Single Crystal Superalloys During Tensile Creep

采用预压应力处理使镍基单晶合金中的γ’相转变成P-型筏状结构, 通过拉伸蠕变曲线测定和组织形貌观察, 研究了该合金拉伸蠕变中的组织演化. 结果表明: 在拉伸蠕变初期, 合金中的P-型筏状γ’相转变为N-型筏状结构. 由于高温拉应力导致γ’/γ两相中元素平衡浓度发生变化及P--型筏状γ’相的不均匀粗化, 促使P-型筏状γ’相发生分解出现沟槽; 沟槽区域溶质元素化学位的提高引起的元素定向扩散是γ’相逐渐溶断成类立方体结构的主要原因. 切应力分量使立方γ’相与应力轴垂直界面的晶格收缩可排斥较大半径的Al和Ta原子, 拉伸张应力使平行于应力轴界面的晶格扩张可诱捕较大半径的Al和Ta原子, 是促使γ’相定向生长成为N--型筏状的主要原因. 其中, 在拉应力作用下类立方γ’相不同界面的应变能密度变化是元素扩散及γ’相定向粗化的驱动力.     

晶体取向对镍基单晶合金蠕变行为的影响

通过蠕变曲线测定及组织形貌观察,研究[001]、[011]取向镍基单晶合金在蠕变期间的组织演化及变形特征。结果表明:经完全热处理后,[001]和[011]取向合金中立方γ′相均以共格方式镶嵌在γ基体相中,并沿〈100〉取向规则排列。蠕变期间,[001]取向合金中γ′相沿垂直于应力轴方向形成N-型筏状组织,而[011]取向合金中γ′相沿[001]取向形成纤维状筏形组织,且在(100)晶面的筏状γ′相与施加应力轴方向呈45°角排列,其中,立方γ′相不同晶面中扩张晶格的法线方向是筏状γ′相的生长方向。在试验温度和应力范围内,与[011]取向合金相比,[001]取向合金具有较好的蠕变抗力。在高温蠕变后期,两取向合金中的筏状γ′相均发生粗化和扭折,其中,[001]取向合金在蠕变后期的变形机制是位错剪切γ′相,而[011]取向合金的变形特征主要是形变位错在基体通道中滑移。     

一种2%Ru镍基单晶合金的高温蠕变行为及断裂特征

通过蠕变性能测试和组织形貌观察,研究了一种新型2%Ru镍基单晶高温合金的蠕变行为及断裂特征。结果表明,合金在1 070～1 100℃、127～147 MPa条件下具有较好的蠕变性能,合金在稳态蠕变阶段的表观蠕变激活能Q=410.5 kJ/mol,应力指数n=4.74。合金在蠕变稳态阶段的变形机制是位错在基体中滑移和攀移越过γ′相,蠕变后期,位错可剪切进入γ′相。在高温/低应力条件下,合金中的γ′相可形成筏状组织,裂纹由筏状γ′相与基体相界面处萌生,随裂纹扩展、聚集、连通,合金蠕变抗力急剧下降,最终导致合金蠕变断裂。     

镍基单晶高温合金蠕变行为研究进展

从镍基单晶高温合金蠕变中γ'相定向粗化和筏化、蠕变各向异性、蠕变寿命预测及Re和Ru元素对蠕变性能的影响方面,综述了镍基单晶高温合金蠕变行为的研究进展,并对镍基单晶高温合金的发展方向进行了展望。     

热处理对4.5%Re单晶镍基合金高温蠕变行为的影响

通过对一种4.5%Re(质量分数)镍基单晶合金进行不同工艺热处理、蠕变性能测试及组织形貌观察,研究了固溶时间对该合金组织结构与高温蠕变行为的影响。结果表明:铸态合金中各元素存在较大的成分偏析,经高温长时间固溶及时效处理后,合金中各元素在枝晶间/臂的偏析程度明显降低;将固溶时间由10 h延长至24 h后,合金在1100℃、137 MPa的蠕变寿命由101 h提高至164 h;其中,10 h固溶处理合金中仍存在较大程度的元素偏析,并且在蠕变期间,析出针状TCP相。合金在高温蠕变期间的变形机制是位错在基体中滑移和剪切筏状γ′相;蠕变后期,大量位错剪切筏状γ′相,致使近断口区域的筏状γ′相扭曲,在筏状γ/γ′两相界面发生裂纹的萌生,并沿垂直于应力轴方向扩展,直至发生蠕变断裂。这是合金的高温蠕变断裂机制。     

一种含4.2%Re单晶镍基合金在蠕变期间的组织演化与变形特征(英文)

通过组织形貌观察及蠕变曲线测定,研究了一种含Re镍基单晶合金的高温蠕变行为。结果表明:含4.2%Re单晶合金在1060-1100℃温度区间具有较好的承温能力,但表现出较强的施加应力敏感性。经高温蠕变断裂后,在试样不同区域γ′相具有不同的组织形貌,在远离断口区域γ′相形成的筏状组织与施加应力轴方向垂直,而在近断口区域,筏状γ′相的粗化及扭曲程度的增大为该区域发生较大塑性变形所致。在蠕变后期,合金的变形机制是迹线方向为[011]和[011]的滑移位错切入筏状γ′相,主、次滑移系交替开动,使筏状γ′相发生扭折形成不规则的扭曲形态,直至发生断裂是合金的蠕变断裂机制。     

含2% Ru单晶镍基高温合金蠕变行为的研究

测定了一种含2%Ru单晶镍基高温合金的蠕变性能,观察了它的组织形貌。据此计算了合金在不同温度和应力条件下的蠕变激活能和应力指数,以研究合金的蠕变行为和组织演变规律。结果表明,合金在高温、低应力条件下的蠕变激活能Q为484.6 kJ/mol,应力指数n为4.5;在中温、高应力条件下的蠕变激活能Q为496.9 kJ/mol,应力指数n为12.3。这说明,合金在高温低应力条件下的蠕变机制为位错在基体中滑移以及位错越过γ′相攀移,而在中温高应力条件下的蠕变机制为位错剪切进入γ′相。对蠕变试件近断口区组织形貌的观察发现,在高温、低应力条件下,γ′相形成N形筏状结构;在中温、高应力条件下,γ′相尺寸增大但不发生筏状转变,γ相和γ′相发生扭曲。     

热力耦合对一种第四代镍基单晶高温合金1100℃蠕变组织演变的影响

以一种第四代镍基单晶高温合金为研究对象,采用变截面蠕变试样,在1100℃、43~96 MPa条件下进行200 h蠕变中断实验,利用SEM和TEM观察了微观组织演变规律,利用同步辐射高能XRD和EPMA分析了高温低应力条件下镍基单晶高温合金的蠕变组织演变。结果表明:随着应力的增大,镍基单晶高温合金的γ′相体积分数降低,筏化程度增大且筏排厚度下降,同时,γ相通道宽度逐渐增大,而γ/γ’两相界面位错网间距逐渐减小。固溶强化元素Re、Mo和Cr等在γ相中的富集导致γ/γ’两相错配度绝对值增大。蠕变过程中γ’相体积分数降低和γ’相筏排厚度减小显著降低了合金的强度。另外,位错在γ′相溶解所导致的弯曲相界处的塞积,使位错易于切入γ′相,也是镍基单晶高温合金室温硬度下降的重要原因。     

应力时效对DZ125镍基合金组织演化及蠕变抗力的影响

通过蠕变性能测试,组织结构观察和晶格常数测定,研究应力时效对DZ125镍基合金组织演化与蠕变抗力的影响。结果表明:合金在980℃、90MPa近服役条件下的蠕变寿命是9714h;蠕变期间,样品中间区域的γ′相优先形成完整的筏状组织,在无应力的肩部区域,γ′相呈现串状形态;随应力时效时间延长至9714h,合金中筏状γ′相的厚度尺寸从0.4μm增加至1.8μm,合金中γ′、γ两相的晶格常数值增加,两相的错配度增大。其中,应力时效致使筏状γ′相粗化及错配度增大,可改善蠕变抗力,是合金在近服役条件具有较长蠕变寿命的原因之一。     

DZ125镍基合金蠕变期间的组织演化与元素扩散迁移率

通过蠕变性能测试及组织形貌观察,结合元素扩散迁移率计算,研究DZ125合金在1 040℃蠕变期间的组织演化规律。结果表明:高温蠕变期间,合金在枝晶间/干区域发生不均匀的组织演化,枝晶间区域形成的筏状γ′相尺寸粗大,而枝晶干区域γ′相沿(001)晶面形成细小的N-型筛网状筏形结构,且γ基体相连续充填在筛网状γ′相之间,可保证合金的高塑性。在1 040℃、137 MPa蠕变期间,合金枝晶干区域的γ′相经3 h转变成筏状结构,随施加应力的降低,γ′相发生筏形化转变的时间延长;其中,Al、Ta具有较高扩散迁移率是促使合金发生较快筏形化转变的主要原因。     

含Mo单晶镍基合金的高温蠕变及损伤行为

通过蠕变性能测试及组织形貌观察,研究含3%和5%(质量分数)Mo无Re单晶镍基合金的高温蠕变和损伤行为。结果表明:与3%Mo单晶合金相比,5%Mo无Re单晶合金具有较好的蠕变抗力和较长的蠕变寿命,测定出5%Mo单晶合金在1040℃、137 MPa的蠕变寿命为556 h。在施加的温度和应力范围内,测定出合金在稳态蠕变期间的表观蠕变激活能Q=484.7 kJ/mol。合金在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;合金在蠕变较后阶段的变形机制是位错剪切进入筏状γ′相。随蠕变进行,位错的交替滑移致使合金中筏状γ′相发生扭曲,并在筏状γ′/γ两相界面发生裂纹的萌生和扩展,直至断裂,是合金在高温蠕变后期的损伤与断裂机制。     

6%Re/5%Ru单晶镍基合金的超高温蠕变行为和影响因素EI北大核心CSCD

通过对6%Re/5%Ru单晶镍基合金(质量分数)进行蠕变性能测试和组织观察,研究了合金的超高温蠕变行为和影响因素。结果表明:测定出合金在(1160℃,120 MPa)的蠕变寿命为206 h。中期稳态阶段,位错在基体中滑移和攀移越过γ′相是合金的变形特征,γ基体中溶解的难熔元素可增加位错在基体中运动的阻力。超高温蠕变期间,随温度提高γ′相发生溶解,可减小筏状γ′相的尺寸,提高位错攀移越过γ′相的速率,特别是当温度大于1170℃时,合金的施加温度敏感性使筏状γ′相的尺寸减小,应变速率提高,这是合金蠕变寿命大幅度降低的主要原因。蠕变后期,基体位错可在位错网破损处切入γ′相,其中,切入γ′相的位错可由{111}面交滑移至{100}面形成K−W锁,抑制位错的滑移和交滑移,可改善合金的蠕变抗力。而在颈缩区域较大的有效应力可开动位错的双取向滑移,致使筏状γ′相扭折,并在扭折区域发生裂纹的萌生和扩展,直至断裂,这是合金在超高温蠕变期间的变形和损伤机制。     

镍基单晶高温合金的小角度偏离[001]取向对蠕变性能的影响

小角度偏离[001]取向的镍基单晶高温合金的蠕变性能受温度、γ?尺寸的大小和应力条件的影响。本文综述了镍基单晶高温合金的[001]取向小角度偏离对蠕变性能的影响。不同程度的偏离引起的不同蠕变性能变化,源于不同的蠕变变形机制。不同的蠕变变形机制对应着引起蠕变率发生的不同临界应力。在中温(760℃-850℃),合金的蠕变性能对[001]取向的角度偏离很敏感,即使角度有一点变化也会引起蠕变性能的很大的差异,但是在温度高于850℃以上小角度的取向偏离对蠕变性能影响不大。γ?尺寸的大小对小角度偏离的合金的蠕变性能的影响受温度的制约。在中温,γ?尺寸的大小变化影响着不同的小角度偏离是否引起蠕变性能的变化,但是在高温γ? 相快速伐化,变形机制和γ?尺寸变化无关。     

Ta含量对镍基粉末高温合金高温蠕变变形行为和性能的影响

采用FESEM、TEM等实验技术,系统研究了750℃、600 MPa条件下,不同Ta含量的镍基粉末高温合金的蠕变性能和蠕变过程中显微组织和变形行为特征以及合金层错能对蠕变行为的影响.结果表明,随着Ta含量的增加,合金层错能呈非线性关系降低.蠕变变形各阶段的变形行为和位错组态的变化与层错能密切相关.低Ta含量合金层错能相对较高,基体位错a/2<110>滑移被阻止在γ/γ'内界面处,不易发生位错分解,可直接进入γ'相中形成反相畴界(APB)或通过Orowan环弓弯模式绕过γ'相;当合金中Ta含量中等时,合金层错能降低,促进在γ/γ'内界面处基体位错发生分解,产生a/6<112>Shockley不全位错开始剪切γ'相,形成超点阵层错(超点阵内禀层错(SISF)或超点阵外禀层错(SESF))和扩展层错(ESF)进而转化形成形变孪晶,呈现层错和形变孪晶共同强化效应,提高蠕变性能;而高Ta含量合金层错能很低,有利于位错在不同{111}滑移面上同时形成尺寸较宽的扩展层错,并出现相互交结的交叉层错抑制形变孪晶的形成,加快蠕变形变裂纹发展.因此,合金中加入适量Ta能有效降低层错能,提高形成不全位错剪切γ'相能力和形成显微孪晶能力,增加蠕变抗力,有效改善合金蠕变性能.     

镍基单晶高温合金的小角度偏离[001]取向对蠕变性能的影响（英文）

小角度偏离[001]取向的镍基单晶高温合金的蠕变性能受温度、γ'尺寸和应力条件的影响。本文综述了镍基单晶高温合金的[001]取向小角度偏离对蠕变性能的影响。不同程度的偏离引起的不同蠕变性能变化,源于不同的蠕变变形机制。不同的蠕变变形机制对应着引起蠕变发生的不同临界应力。在中温(760～850°C),合金的蠕变性能对[001]取向的角度偏离很敏感,即使角度有轻微变化也会对蠕变性能有明显影响,但是温度高于850°C时,小角度的取向偏离对蠕变性能影响不大。γ'尺寸对小角度偏离的合金蠕变性能的影响受温度制约。在中温,γ'尺寸的变化影响着小角度偏离引起的蠕变性能变化,但是在高温γ'相快速伐化,变形机制和γ'尺寸变化无关。     

定向凝固镍基高温合金的高温蠕变

研究了一种定向凝固镍基高温合金在870℃,330—420MPa应力下的高温拉伸蠕变性能．结果表明：蠕变曲线表现了较短的减速蠕变阶段和较长的加速蠕变阶段,其蠕变变形机制为位错在第二相粒子间的Orowan弯曲过程,而不是由扩散过程所控制加速蠕变阶段蠕变速率的起始增加是显微组织发生变化（γ’相的定向粗化）的结果,而不是蠕变裂纹的形成与扩展．蠕变断裂数据符合MonkmanGrant关系．最终的断裂过程受控于蠕变裂纹的扩展速度     

单晶镍基高温合金超高温蠕变期间的变形机制

通过蠕变性能测试及组织形貌观察,研究了6％Re-5％Ru(质量分数)单晶镍基高温合金的超高温蠕变行为和变形机制.结果 表明,该合金在1160℃/120 MPa条件下的蠕变寿命为206 h.稳态蠕变期间,位错在基体中滑移和攀移越过筏状γ'相是合金的变形特征,基体中溶解的高浓度难熔元素可增加位错运动阻力.蠕变后期,切入筏状...