几种典型镍基单晶高温合金成分设计的热力学分析

利用热力学计算软件JMatPro和相应的镍基高温合金数据库,研究了几种典型镍基单晶高温合金和GE公司的低Re成分单晶高温合金专利,分析了合金成分设计中与单晶叶片设计、微观组织稳定性以及加工工艺性能密切相关的一系列参数,包括合金的初熔温度、密度、γ'相体积分数、γ/γ'相错配度、TCP相含量、热加工窗口以及糊状区区间等,...     

新型高强抗热腐蚀定向凝固高温合金DZ409

在高温合金设计理论的指导下,综合考虑重型燃机叶片用耐热腐蚀定向凝固高温合金对持久强度、热腐蚀抗力、长期组织稳定性等多方面的要求,设计出 7 种成分的合金.通过热力学平衡相和电子空位数计算,优选3 种成分合金开展力学性能、抗热腐蚀、组织稳定性等研究,进行试验筛选工作,研制出新型抗腐蚀定向凝固高温合金 DZ409 合金.DZ409 合金具有良好的抗腐蚀性能、组织稳定性以及高的力学性能,可用作重型燃机的叶片材料.     

镍基高温合金中γ′相的高温稳定性及筏状结构的形成

γ′相是镍基高温合金中的主要强化相，它在高温下的稳定性问题非常关键。本文综合论述了镍基高温合金中γ′相的高温稳定性及其筏状结构形成的研究进展，总结了γ′相筏状结构研究的主要结果，对筏状γ′相的形成机制也进行了综合分析。     

r’相在各种电解液中的极化行为

电解提取各种铁、镍基高温合金中γ′相的方法虽已有不少经验.但各类合金中成份不同的γ′相在各种电解液中的极化行为,从未系统研究过.为深入了解合金成份对γ′相极化行为的影响,我们选用了七种铁、镍基高温合金和常用的六种电解液,对合金基体和γ′相的电化学行为进行了系统的研究.通过试验,测出各种合金基体γ和γ′相在不同电解液中的过钝化溶解电位E_(OP)~γ和(?)、钝化电流i_P~r和i_P~r′等.为今后电解提取各类合金中的γ′相提供依据,并从中找出电解提取高温合金中γ′相的普遍规律.     

三代粉末高温合金的特征及发展

粉末高温合金在高温下表现出一系列优点,成为高推重比航空发动机涡轮盘等关键部件的首选材料。概述了三代粉末高温合金的发展历程和性能特点;介绍了其生产工艺流程以及热处理过程中固溶温度、冷却速度、时效对组织的影响;从析出相的析出规律(主要讨论了γ'相、碳化物、TCP相)和γ/γ'错配度方面分析了合金成分改变带来的影响,提出成分优化设计的趋势;探讨了粉末高温合金今后的发展方向,为进一步开展粉末高温合金的研究提供一定的理论依据。     

铸造高温合金的热等静压致密化机理

本文研究了铸造高温合金的热等静压致密化机理,综合应用高温合金的蠕变理论和粉末冶金的烧结理论,导出了以γ′沉淀相强化的铸造高温合金的热等静压致密化速率与热等静压工艺参数的解析表达式。在K18铸造高温合金上进行的不同温度、压力和时间的热等静压实验表明,实验值与理论值符合良好。     

镍基粉末高温合金的微观组织与低周疲劳性能

以镍基合金粉末为原料,通过热等静压与热挤压以及1 130℃/1 h条件下热处理,制备一种新型镍基粉末冶金高温合金,在750℃大气环境下对该合金进行低周疲劳试验,分析合金疲劳前的微观组织、低周疲劳循环应力响应行为和断口形貌。结果表明,镍基合金粉末经过热等静压后,出现原始颗粒边界,主要为粗大的γ′相和细小的碳氧化物。热等静压坯体经过热挤压并进一步热处理后,原始颗粒边界消失,晶粒细化到7.5μm左右,合金的γ′相主要有3类:晶界上的粗大γ′相、晶内近球形的中等尺寸γ′相和弥散分布的球形细小γ′相。该合金的低周疲劳断裂方式以沿晶断裂为主,断裂面的晶粒表面有不同程度的氧化。     

C和Hf对FGH97粉末冶金高温合金热力学平衡相析出的影响

借助Therrno-Calc热力学计算软件及相应的镍基高温合金数据库,对不同C和Hf含量的粉末冶金高温合金FGH97进行了热力学计算,并结合了相应的显微组织观察.研究表明,C和Hf的改变会影响合金热力学平衡相的析出,其中影响最为显著的是碳化物相,其次为γ'相.本文为今后优化FGH97合金成分,提高合金性能提供了一定的理论依据.     

长期时效对GH4199合金组织和性能的影响

采用金相和电镜微观组织观察、室温和高温拉伸试验、物理化学相分析等综合试验方法,对经600、700、800、900℃和100、200、500、1 000 h长期时效处理的GH4199合金进行测试和研究.结果表明,GH4199合金经长期时效后,其室温和高温力学性能仍保持在较高水平;合金的组织稳定性良好,析出相主要为γ'相和碳化物.据相分析结果可知,在700～900℃时效1 000 h左右,合金组织中存在极微量的脆性(TCP)相--μ相和σ相,它们对合金的力学性能基本无影响,组织中虽然存在微量TCP相,但合金的室温和高温塑性不发生"脆化".     

一种高铬的铁镍基高温合金物理化学相分析

采用物理化学相分析方法研究了高铬的铁镍基高温合金时效后碳化物和金属间化合物的析出行为,通过实验确定了铁镍基高温合金中析出相的萃取方法、相分离方法、钢中析出相的类型和含量、γ′相的粒度分布。研究结果表明,铁镍基高温合金中析出相为γ′、NbC、TiC、Laves和σ,随着时效时间的增加,NbC和TiC相含量变化不大,Laves相和γ′含量略有增加,σ相含量增加比较明显,γ′相的粒度随时效时间明显增加,σ相含量的增加和γ′相颗粒的增大是造成合金高温屈服强度下降的主要原因。研究结果对高铬的铁镍基高温合金成分的控制、生产工艺的选择和热处理制度的合理制定具有指导意义。     

长期时效对GH4199合金组织和性能的影响

 采用金相和电镜微观组织观察、室温和高温拉伸试验、物理化学相分析等综合试验方法，对经600、700、800、900 ℃和100、200、500、1 000 h长期时效处理的GH4199合金进行测试和研究。结果表明，GH4199合金经长期时效后，其室温和高温力学性能仍保持在较高水平；合金的组织稳定性良好，析出相主要为γ′相和碳化物。据相分析结果可知，在700~900 ℃时效1 000 h左右，合金组织中存在极微量的脆性(TCP)相——μ相和σ相，它们对合金的力学性能基本无影响，组织中虽然存在微量TCP相，但合金的室温和高温塑性不发生“脆化”。     

温度梯度下Ni-Al合金γ'相沉淀过程研究

镍基高温合金航空发动机涡轮叶片等高温部件,材料经受高温下的温度梯度和应力作用。合金强化相Ni3Al在温度梯度下的沉淀及微观组织演变动力学决定着其空间形貌和分布,从而影响高温合金的性能。采用相场动力学模型,将温度增量耦合到自由能函数中,研究温度梯度下Ni-Al合金γ'(Ni3Al)相的微观形貌、尺寸、颗粒数密度以及成分演化规律。随着温度梯度的增加,高温区γ'相的数量减少,方块状形貌更加明显,γ'相的体积分数达到平衡值的时间延长,平衡体积分数逐渐减小。在长大及粗化阶段,γ'相颗粒半径随着温度梯度的增加而增加,γ'相颗粒数密度逐渐减小。温度梯度下γ'相的演变动力学规律对非均匀温度下的合金微观组织演变和性能分析有一定的参考价值。     

1070℃热暴露对一种单晶高温合金组织的影响

研究了一种镍基单晶高温合金在1 070℃热暴露不同时间后的组织变化。结果表明:合金的热处理组织由立方化较好γ'相和基体γ相组成。经过1 070℃热暴露处理后,γ相基体通道宽度增加,γ'强化相合并长大;热暴露200 h后,合金没有析出不稳定相(TCP相)。热暴露400 h后,少量TCP相开始在枝晶干区域以细针状的形态析出。经过800 h处理后,显微组织呈现出明显的筏排结构。随热暴露时间增加TCP相析出量明显增多,并由枝晶干范围向枝晶间区域生长。TCP相含有Re、W、Mo和Co等合金元素,衍射分析为σ相,与合金基体取向关系为(110)_σ∥(220)_γ,[012]_σ∥[001]_γ。     

不同温度下晶面衍射弹性常数的两相模型计算

将镍基高温合金看成基体相γ相(Ni相)和夹杂相γ′相(Ni_3Al相)的两相材料(忽略少量的其他相),利用Eshelby夹杂理论和自洽方法,建立计算两相材料晶面衍射弹性常数的两相模型。再通过准谐德拜理论和第一性原理计算,获得高温下两相单晶体的弹性刚度系数,代入模型计算镍基高温合金相关晶面在不同温度下的衍射弹性常数。计算结果与文献报道的实验测量值误差较小,验证了模型的准确性。     

Ni基粉末冶金高温合金平衡析出相的热力学研究

为了对Ni基高温合金进行优化设计,采用热力学计算软件Jmatpro与相应的Ni基高温合金数据库,对3代粉末高温合金René95、René88DT和René104合金的平衡相析出行为进行了热力学计算与比较研究。结果表明:3种合金的平衡相种类基本相同,主要平衡相为γ、γ’、碳化物M23C6和MC以及硼化物M3B2,但析出量、析出温度及范围存在差别。René104合金有较高的γ’相析出温度和较多的γ’相析出量,而René88DT合金的γ’相析出温度最低,γ’相析出量最少;Ta的添加使Nb元素在γ’相中的含量随温度降低先增加后减少的变化规律变为随温度降低而一直减少;另外,对于碳化物而言,René95和René88DT合金中的碳化物析出规律基本一致,只是析出量和析出温度区间不同,而René104合金与它们存在一定差别。     

钼、铌对一种镍基变形涡轮盘合金组织结构和力学性能的影响

本工作用金相、电镜、相分析和X光结构分析等方法研究了MO、Nb对一种镍基变形涡轮盘合金组织结构和力学性能的影响。结果表明,合金中γ′相量、尺寸和分布以及碳化物的种类和分布与合金Mo,Nb元素含量密切相关,从而影响合金室温和高温下力学性能。 Nb提高γ-γ′相间错配度,表现为提高合金屈服强度。Mo是促进M_(23)C_6析出的元素、Nb是抑制M_(23)C_6析出的元素。添加Mo、Nb都使γ′相数量增加并在给定的热处理条件下使大小γ′相均匀分布于基体。为合金Mo、Nb最佳成分控制提供了一个依据。     

热处理制度对粉末高温合金性能的影响

对比研究了FGH95合金在不同热加工工艺和热处理制度下γ′相的分布，观察了不同热处理制度处理后合金的组织及时效后小γ′相的中心暗场像相，测试了室温（20℃）和高温（650℃）下材料的拉伸性能，并对高温（650℃）瞬时断裂区断口进行了对比分析。结果表明：相同热处理工艺，热等静压温度较高时，时效析出的γ′相尺寸大；不同热处理制度能改变γ′相的分布，盐浴冷却明显增大中等尺寸γ′相数量和合金的高温塑性。     

长期时效对不同固溶处理喷射成形FGH100L合金组织中γ'相的影响

对喷射成形镍基高温合金FGH100L分别进行亚固溶和过固溶热处理,采用扫描电镜研究了长期时效对合金中γ′相尺寸和形貌的影响。结果表明:亚固溶热处理合金中有四种尺寸的γ′相,在长期时效过程中,一次、二次和大三次γ'相尺寸均有明显增长,小三次γ'相尺寸略有减小,四种γ'相长大规律均不符合Lifshitz,Slyozov和Wagner（LWS）粗化模型。一次γ'相、二次γ'相和大三次γ'相出现相似的分裂现象,二次γ'相在时效500 h后出现不稳定生长现象,合金中无拓扑密排（TCP）相析出。过固溶热处理合金中有三种尺寸的γ′相,在长期时效过程中,一次γ'相尺寸略有增长,二次γ'相和三次γ'相尺寸并没有明显变化,三种γ'相长大规律均不符合LSW粗化模型。一次γ'相和三次γ'相形貌基本不变,二次γ'相处于正在分裂状态,没有完全分裂,合金中无TCP相析出。过固溶热处理合金的γ'相尺寸和形貌变化比亚固溶热处理合金小,前者组织稳定性更高。     

镍基高温合金γ'相粗化的三维相场法研究进展

镍基高温合金以其优异的抗疲劳性能、韧性、高温蠕变强度、表面稳定性、抗氧化和抗热腐蚀性能,在航空航天领域引起了广泛的关注。γ'相为Ni3X结构的有序沉淀相,是镍基高温合金最主要的强化相,其粗化行为显著影响着镍基高温合金的高温性能,因而近年来投入了大量的人力物力对γ'相粗化行为进行研究。由于实验二维视场的尺寸限制,对γ'相粗化行为的三维相场法研究发展迅速。在对相场法界面模型及其本质进行阐述的基础上,综述了近年来国内外对镍基高温合金γ'相粗化行为的三维相场法研究结果,并指出了材料科学家们通过实验方法对镍基高温合金进行三维研究的不懈努力,为进一步利用三维相场法研究γ'相粗化行为提供参考,以不断优化镍基高温合金实验参数,减少实验的重复,节约经费和时间。同时,展望了三维相场法研究镍基高温合金的研究方向。     

Re对镍基合金晶格错配度的影响

通过对不同Re含量镍基合金进行室温、高温X射线衍射谱线测定及持久性能测定,研究了Re含量及温度对镍基合金中γ、γ'两相晶格错配度及持久寿命的影响规律.结果表明:随Re含量增加,合金中γ、γ'两相的晶格常数增大,两相界面的晶格错配度及错配应力减小,致使蠕变期间合金中γ'相的筏形化速率降低,并可较大幅度地提高合金在高温区间的持久寿命.与γ'有序相比较,无序的γ相原子结合力较弱,且热容较大,致使其有较大的膨胀系数,故随温度提高,合金中两相的晶格错配度绝对值增大.合金中γ、γ'两相的晶格常数、热膨胀系数随温度变化服从指数规律;在试验的温度范围内,提出的数学表达式在高温区间,可较好地模拟γ、γ'两相的膨胀特性.