Ta、Co对新型高强抗热腐蚀单晶高温合金组织稳定性的影响

研究了Ta、Co对一种新型高强抗热腐蚀单晶高温合金微观组织及1000 ℃长期时效中组织稳定性的影响。结果表明,随Ta含量的增加,γ′相溶解温度提高,完全热处理后的γ′相尺寸先增大后减小,Co降低了γ′相溶解温度,减小了γ′相尺寸并且降低了γ′相的含量;1000 ℃长期时效过程中,随Ta含量的提高,γ′相粗化速率先降低后升高,Co降低了γ′相的粗化速率,γ/γ′两相错配度和元素的扩散是影响γ′相粗化速率的主要因素;Ta提高了合金中γ′相的含量,促使Re、W、Mo、Cr元素向γ基体中分配,促进了TCP相的析出,Co降低了Re、W、Mo、Cr元素在γ基体中的分配,降低了基体的过饱和度,抑制了TCP相的析出。     

镍基单晶高温合金中γ/γ′元素分配行为的研究进展

本文总结了镍基单晶高温合金中γ/γ′元素的分配行为,单晶高温合金中Re、Cr、Co、Mo、Ru和W元素主要分布于γ相中,Al、Ta和Ti元素主要分布于γ′相中。同时,单晶高温合金中γ/γ′元素分配行为受到合金元素交互作用的影响,如Re、Cr和Mo元素的分配比随单晶高温合金中Re+Cr+Mo含量以及Ta+Ti含量的提高而增大,W元素的分配比随着单晶高温合金中Ta+Ti含量的提高而增大;Ru的添加使部分合金中出现了元素“逆分配”的现象,但Ru元素产生“逆分配”作用并非普遍现象;Ta元素的分配比随单晶高温合金中Ta-Al质量比的提高而显著降低。     

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。     

Re及温度对单晶镍基合金晶格常数及错配度的影响

通过对不同状态及不同Re含量单晶镍基合金进行高、低温X射线衍射谱线测定及组织形貌观察,研究Re含量及温度对单晶镍基合金中γ、γ′两相晶格常数及错配度的影响。结果表明:铸态合金中γ、γ′两相有较大的晶格常数及错配度;经完全热处理后,立方γ′相以共格方式嵌镶在γ基体中,合金中两相的晶格常数及错配度略有减小;长期时效使γ′相粗化后,两相之间出现界面位错,使合金中两相的晶格常数及错配度绝对值增加。随Re含量增加,合金中γ、γ′两相在室温的晶格常数增大,错配度的绝对值减小。与γ′相相比,γ基体相有较大的膨胀系数,因此,随温度提高,合金中两相晶格错配度的绝对值增大。     

Hf在粉末冶金镍基高温合金中的相间分配及对析出相的影响

利用三维原子探针（3DAP）,SEM,TEM和相分离方法,研究了5种Hf含量的FGH97粉末冶金高温合金中Hf在γ基体、γ′相和MC相中的分配,以及Hf对γ′和MC析出相的数量、组成和形貌的影响.结果表明:Hf主要进入γ′相和MC型碳化物,γ′相变为（Ni,Co）₃（Al,Ti,Nb,Hf）,MC碳化物变为（Nb,Ti,Hf）C.随着合金中Hf含量的增加,Hf进入γ′相的比例基本不变,进入MC相的比例逐渐增大,进入γ相的比例逐渐减小,即Hf在γ′和MC相的分配比R₁逐渐减小,在γ′和γ相的分配比R₂逐渐增大,R₁和R₂的平均值分别为1:0.1和1:0.05,这表明Hf主要分配在γ′相中,其次分配在MC相中.Hf促进γ′相和MC相析出,影响γ′相的尺寸和形貌,对MC碳化物的尺寸和形貌的影响并不明显.     

Ta含量对铸造高温合金DZ411长期热暴露过程中γ′相粗化的影响

借鉴材料基因工程中高通量实验的做法，采用快速凝固技术和定向凝固技术制备含Ta浓度梯度的定向合金，并在900℃进行长期热暴露实验，研究不同Ta浓度对铸造高温合金热暴露中γ′相生长速率的影响。通过对不同热暴露时间γ′相尺寸变化的统计，结合粒子粗化理论计算发现，随着Ta浓度增加，粗化速率常数一直在减小。通过合金中有效扩散系数计算发现，热暴露前期，高Ta浓度处的γ′相形成元素平均扩散系数较低，使得γ′相生长速率放缓。在长期热暴露后期，高Ta浓度处γ′相生长速率依旧缓慢，并且γ相基体间产生了大量位错，经测量，两相的相界面间的晶格错配度减小，阻碍了相形成元素向γ′相内迁移，导致γ′相生长速率减缓。     

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.     

Hf含量对FGH97合金γ/γ′晶格错配度的影响

采用X射线衍射(XRD)方法测算镍基粉末冶金高温合金FGH97中γ和γ′相的晶格常数,计算出γ/γ′晶格错配度。结果表明:γ′相的晶格常数比γ相的小,错配度为负值。Hf 主要存在于γ′相中,随着合金中 Hf 加入量的增加,进入γ′相中 Hf 的数量增加,使γ′相的晶格常数逐渐增大,错配度的绝对值逐渐减小。     

Ta和Mo点位偏好对Co-Al-W合金γ′相的影响

为了研究Ta元素和Mo元素合金化对Co-Al-W基高温合金γ′相强度和形貌的影响，构建γ′-L12超胞结构，对其六个非等效点位进行掺杂计算，分析能量结构和力学性能；并制备Co-8.8Al-9.8W-2X(X=Ta, Mo)合金，对合金进行5%和10%的压缩变形，使用透射电镜（TEM）技术对合金γ′相形貌和位错形态进行分析。结果表明:Ta原子掺杂时优先占据Al2位置，Mo原子掺杂时优先占据W6位置，Ta原子占据Al2位置会使得γ′-L12掺杂结构的强度以及组织稳定性升高，Mo原子在W6位置的掺杂则效果相反；由于在合金化时Ta原子优先占据在Al2位置，导致了γ′相强度升高，2Ta合金在进行压缩变形时γ′相形貌可以保持为立方状，位错对γ′相的切割破坏较为有限，而2Mo合金由于Mo原子优先占据W6位置导致γ′相强度降低，进行压缩变形时γ′相形貌由立方状转变为筏排状，位错对γ′相的破坏较为严重。     

FGH95粉末镍基合金组织结构对蠕变机制的影响

通过对热等静压态FGH95合金进行完全热处理、组织形貌观察、点阵常数测定和蠕变曲线测定,研究了FGH95镍基合金的组织结构和蠕变机制.结果表明:合金经热等静压成型后,粗大γ′相沿原始颗粒边界不连续分布,经高温固溶和时效处理后,晶粒尺寸无明显变化,粗大γ′相数量减少,且细小γ′相和MC碳化物在合金中弥散析出,可提高合金蠕变抗力,同时由于γ′相形成元素A1、Ti溶入基体,经XRD谱线测定,γ′相的平均点阵常数减小,而γ体相平均点阵常数增加,致使γ/γ′两相晶格错配度减小;在实验温度和应力范围内,测得合金的蠕变激活能为630.4 kJ/mol.在蠕变期间,FGH95合金的蠕变机制是位错在基体中运动或剪切γ′相,其中,蠕变位错以Orowan机制绕过γ′相,而＜110＞超位错切过y′相发生分解形成(1/3)＜112＞超肖可莱不全位错+层错的位错组态.     

合金元素对Co-8.8Al-9.8W合金显微组织及γ′相转变温度的影响

为了研究Ni,Nb,Ta,Ti和Mo元素对Co-8.8Al-9.8W基合金(摩尔分数,%)显微组织及γ′相溶解温度的影响,借助DSC和SEM等方法研究几种合金元素对合金γ/γ′两相显微组织形貌和γ′相转变温度的影响。结果表明:Ni和Mo元素降低γ′相的溶解温度,而Nb、Ta和Ti元素提高了γ′相的溶解温度,且Ta的提高效果最明显。几种合金化合金经过(900℃,50 h)时效处理后均形成γ/γ′两相组织。Ni和Mo元素能使合金中γ′相形貌由立方形变为近立方形或球形(如2Ni合金),而其他合金元素并没有明显改变γ′相的立方形貌。Ni、Mo与Nb元素使合金中γ′相的体积分数减少,Ni减少的程度较为显著;但Nb、Ta和Ti元素使γ′相保持较高的体积分数。     

Hf在FGH4097粉末高温合金中的相间分配行为

采用3DAP、FEG-SEM、TEM以及物理化学相分析方法研究5种Hf含量的FGH4097粉末高温合金中Hf在γ′相、MC型碳化物和γ相中的分配,以及Hf对γ′和MC析出相组成的影响。结果表明:随着合金中Hf含量的增加,进入各相的Hf量增多,Hf进入γ′相的比例基本不变,进入MC型碳化物的比例增大,进入γ相的比例减小,即Hf在γ′相和MC型碳化物的分配比逐渐减小,Hf在γ′相和γ相中的分配比逐渐增大;Hf主要分配在γ′相中,其次分配在MC型碳化物中,Hf在MC型碳化物中的质量浓度大约是Hf在γ′相中的20倍。     

以Mo代W对单晶高温合金组织、凝固特性与错配度影响的热力学研究

基于d电子原理,设计了高W强化Ni基单晶高温合金Alloy W和高Alloy Mo强化Ni基单晶高温合金Mo。热力学计算的结果表明,以Mo代W降低了γ'相的高温组织稳定性、液相线温度和固相线温度,但对结晶温度区间的影响较小。在单晶高温合金凝固过程中,以Mo代W降低了Al元素的显微偏析倾向,但对Re和Ta元素显微偏析行为的影响较小。同时,W和Mo在凝固时分别显著偏析于已凝固的固相和未凝固的液相。此外,以Mo代W增大了γ相和γ'相的晶格常数,并降低了γ/γ'错配度。     

Re含量对DD15单晶高温合金显微组织和持久性能的影响

在定向凝固炉中制备了3种不同Re含量（5%,6%,7%,质量分数）、其它合金元素相同的第4代单晶高温合金DD15,将其完全热处理后在1100℃长期时效1000 h,在1100℃/137 MPa条件下测试合金的持久性能。研究了Re含量对DD15单晶高温合金组织稳定性和持久性能的影响。结果表明,随着Re含量增加,γ′相尺寸减小,其体积分数和立方化程度稍有增加,长期时效时γ′相粗化、筏排化速率和TCP相析出量增加,合金的组织稳定性降低。合金的持久性能随着Re含量增加而显著降低。3种断裂试样中均发现了TCP相,其含量随着Re含量增加而增多,这是合金持久性能随Re含量增加而降低的主要原因。γ/γ′相界面位错网密度随着Re含量增加而增加。Re元素在γ基体中有强烈的偏析倾向,分配比随Re含量增加而显著升高。随着Re含量增加,合金的晶格错配度向负方向增加。     

高温条件下Ru对镍基单晶合金元素浓度分布及蠕变性能的影响

对无Ru和2%Ru镍基单晶高温合金在高温条件下进行蠕变性能测试。采用三维原子探针技术分别对有/无Ru合金在蠕变前/后各元素于γ/γ′两相的浓度分布进行测定。结果表明:2%Ru合金表现出了更好的高温蠕变性能,在1100℃/137 MPa条件下,2%Ru合金的蠕变寿命是125 h,而无Ru合金的蠕变寿命仅为58 h。元素Ru可提高元素在γ、γ′两相溶解度,降低元素在γ/γ′两相浓度比,提高合金中γ′相的合金化程度。经1100℃、137 MPa高温蠕变后,无Ru合金中各元素于γ/γ′两相中的浓度分布发生明显改变,其中元素W的浓度比由1/2.875(摩尔分数比)变为1/8.81,同时,各元素于γ/γ′两相界面处的浓度梯度明显增大。这种浓度分布的变化导致g相中难溶元素的含量增大,并析出TCP相,TCP相可破坏γ′相连续筏型结构,大幅降低合金蠕变性能。2%Ru合金中各元素在γ/γ′两相中的浓度分布和相界面处的浓度梯度均无明显变化。这表明高温蠕变可对合金中各元素在γ/γ′两相中的浓度分布和相界面的浓度梯度产生影响,元素Ru可抑制这种影响的产生。     

热处理对新型镍钴基高温合金组织及硬度的影响

利用CALPHAD方法设计了3种不同(W+Ta)含量的新型镍钴基高温合金,并根据平衡相图确定合金固溶及时效处理制度。利用OM、SEM以及EDS等手段对新型镍钴基高温合金热处理后的微观组织特征进行了分析。结果表明,3种镍钴基高温合金,铸态组织均由γ相、γ′相、γ+γ′共晶组织及碳化物组成,γ+γ′共晶组织呈放射状。经固溶处理后,铸态一次γ′相完全消除,800℃时效后析出三次γ′相。随着时效时间的增加,合金中γ′相尺寸增大,合金的硬度也呈上升趋势,但W+Ta含量高的合金在800℃时效析出的γ′相发生了分裂,硬度先增加后减少。     

Ta对一种镍基单晶合金微观组织及蠕变机制的影响

利用螺旋选晶法制备不同Ta含量的镍基单晶合金,研究Ta对合金微观组织及蠕变机制的影响.结果表明:Ta改变了合金中γ '相的形貌,随着Ta含量的提高,γ’相由椭圆形向方形转变;Ta促进了Mo在γ基体中的溶解,增大了合金的错配度;Ta对镍基单晶合金的高温蠕变寿命有较大影响,随着Ta含量的提高,合金的蠕变寿命增加;Ta促进了γ/γ’界面的位错网的发展与完善,影响了蠕变变形过程中位错的运动方式.     

Ru对一种高Re单晶高温合金γ/γ′相中元素分布及高温蠕变性能的影响

研究了不同Ru含量(质量分数,0%和2%)的高Re镍基单晶高温合金在1120℃/140 MPa条件下的蠕变性能,采用SEM、STEM/TEM以及EDS等方法分析了Ru对合金γ/γ′相组织、合金元素成分分配比、蠕变变形组织和位错形态的影响。结果表明,与无Ru合金相比,含Ru合金γ′尺寸更为细小,γ相通道更窄,γ/γ′两相中对TCP相析出有重要影响的Re、Mo和Cr元素分配更加均匀。Ru通过减小γ′相尺寸和γ相通道宽度,降低γ/γ′界面平均位错间距,抑制蠕变加载过程中TCP相析出,显著提高合金的高温蠕变性能。     

镍基合金DD10中γ/γ'晶格错配度厚度效应的X射线衍射分析

利用四轴X射线衍射仪(XRD)测定片状DD10镍基单晶高温合金减薄至不同厚度时基体相(γ)和沉淀强化相(γ′)的晶格常数.根据减薄过程中两相间约束变化得到晶格常数和错配度变化规律,计算出合金从三维块体错配应力状态向二维平面应力状态转化达到失稳状态的临界厚度以及与不同应力状态对应的晶格错配度.依照一定的假设条件,推算出与应力松弛条件对应的无错配应力状态下两相的晶格常数.分析结果表明:合金减薄达到临界厚度后,γ′相晶格常数随厚度减小而线性变小,γ相晶格常数无明显变化,与此对应的晶格错配度绝对值变大;减薄过程伴随γ/γ′两相间约束的减弱和相间微观应力松弛,晶格取向差和晶体嵌镶度增大,表层应力状态向平面应力状态转化.测量得到的临界厚度与无错配应力状态下的晶格常数可为高温合金单晶材料的应用设计和残余应力测试提供参考.     

镍基单晶高温合金γ和γ′相合金元素分布特征

用测算的办法分析了镍基单晶高温合金中γ和γ′相元素的分布特征.枝晶干和枝晶间γ和γ′相的化学成分测算表明,Cr、Mo、Co主要分布在γ相中,Ta、Al主要分布在γ′相,Ta在γ和γ′相中的分配比最大,W的分配比最小,Cr、Mo、W元素的分布特征为01,为正分布.对枝晶干和枝晶间错配度的测算表明,枝晶干和枝晶间的错配度相差较大,枝晶间的γ-γ′错配度大于枝晶干的错配度,这与试样中这两个区域γ′的尺寸大小和形态特点相对应.