高温合金的化学成分

正高温合金要提高热强性,主要采用合金化强化,强化作用有强化固溶体、强化基体及强化晶界,加入的元素有:(1)形成奥氏体的元素:Ni、Fe、Co、Mn;(2)提高抗氧化、耐腐蚀性的元素:Cr、Al、Ti;(3)固溶强化元素:W、Mo、Cr、N、Al;(4)金属间化合物强化元素:Al、Ti、Nb、Ta、Hf。此外,W能大量进入γ′相,以增强γ′相的强化作用;(5)碳化物强化元素:Cr、W、Mo、V、Nb、Ta、Hf、(N);     

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。     

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。     

合金元素对新型Co-Al-W合金摩擦磨损性能的影响

Co-Al-W合金是由γ′-Co3(Al,W)相沉淀强化的新型钴基高温合金。为了研究合金元素Mo、Nb、Ta和Ti对Co-Al-W合金摩擦磨损性能的影响,采用THT07-135型摩擦磨损试验机、SEM等方法研究合金化Co-Al-W合金的室温摩擦磨损性能,并与钴基Stellite6合金相比较。研究发现,9.8W合金的摩擦系数比钴基Stellite6的小。合金元素Mo、Nb、Ti可适度降低9.8W合金的磨损失重和摩擦系数,提高其耐磨性能。Mo、Ti和Nb元素对提高9.8W合金的耐磨性能效果较好;Ta的效果不明显。Co-Al-W合金主要发生氧化磨损和磨粒磨损,但Stellite6合金主要发生剥层和磨粒磨损。     

新型低铼第三代镍基单晶高温合金的设计

对通过d电子理论以及电子空位数理论在现有第三代镍基单晶合金基础上进行成分设计,控制合金中Cr、Mo、Al、Re、Hf元素含量不变,通过增加合金中W含量以及添加元素Nb、Ti强化γ′相,微调合金中Ta/(W+Mo)比值和Al/Ti比值,并对合金中TCP相的析出以及合金相稳定性进行预测,来提高合金的高温性能,得到一系列的合金成分范围。利用热模拟软件JMat Pro,并结合相图分析,获得一系列低Re合金成分,通过对已有镍基单晶合金在平衡状态下热处理窗口、糊状区间、TCP相含量、熔点、密度等热力学参数进行模拟,并依据这些参数制定合金设计判据,得到新型低铼第三代镍基单晶合金的组成。     

新型难变形高温合金эк151的组织特征及平衡析出相热力学计算

利用场发射扫描电子显微镜对其铸态组织进行了观察,并通过热力学计算,对该合金中成分对平衡相析出的影响规律进行了研究。结果表明,эк151合金凝固过程中,Mo、Nb和Ti等元素在枝晶间偏析,并形成大量γ′+γ共晶相。合金主要析出相为大量的γ′相、少量的一次、二次碳化物和硼化物以及μ相。其中强化相γ′多成立方状,800℃下平衡态质量分数含量高达50%左右。当成分在规定范围波动时,对熔点影响最大的为Cr、Mo、Nb和Ti;而Al、Ti和Nb含量变化均会影响到γ′相的析出量及析出温度;Cr、Mo含量变化还会影响到二次碳化物的种类,Ti、Nb、C虽然是一次碳化物MC的主要形成元素,但是成分范围内对其析出温度影响并不明显。影响μ相析出温度和析出量的主要成分为Cr、Mo和W。     

微量元素对NiAl-Cr(Mo)共晶合金组织和力学性能影响的研究进展

综述了添加微量元素(Ti、Nb、Hf、Zr、稀土元素)对Ni Al-Cr(Mo)共晶合金微观组织和力学性能的影响。在Ni Al-Cr(Mo)共晶合金中添加Ti、Hf、Zr元素会使得合金微观组织产生Heusler相(Ni2Al Ti相、Ni2Al Hf相、Ni2Al Zr相)沉淀,添加Nb元素会产生Laves相(Cr2Nb相)沉淀,添加稀土元素会产生稀土沉淀相。这些沉淀相都会在合金中产生沉淀强化来增强合金的力学性能。最后,就目前研究中的不足之处提出了改进方法。     

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.     

铸造镍基高温合金中初生MC碳化物的退化过程和机理

采用OM,SEM和TEM及其HAADF模式下的元素面扫描,研究了一种铸造镍基高温合金长期时效期间初生MC碳化物的分解反应过程、形式及机理.结果表明,在长期时效过程中,初生MC分解反应分为3个阶段:MC+g→M_6C+γ′,MC+γ→M_6C+M_(23)C_6+γ′和MC+γ→M_6C+M_(23)C_6+h.HAADF模式下对分解区域进行元素面扫描,浓度梯度显示初生MC分解实际上是元素在初生MC和g基体之间的互扩散交流过程,分解产物中的C主要来源于初生MC,Ni,Al和Cr来源于g基体,而Ti,W和Mo不仅源于g基体也源于初生MC.合金具有较高的Ti+Nb+Ta+Hf原子分数和(Ti+Nb+Ta+Hf)/Al原子比是初生MC分解过程中析出h相的必要条件,而其析出的数量与初生MC的分解程度有关,分解程度越高,析出数量越大.     

热等静压工艺对K4125镍基高温合金显微组织的影响

采用3组不同参数的热等静压(HIP)工艺对K4125镍基高温合金进行显微组织演变研究。结果表明,3种热等静压工艺制备的合金中Hf、Mo等在MC碳化物中的分布区域略有不同,Ta、Mo、Co、Cr、Ti及Al等为正偏析元素,W、Ni为负偏析元素,与其他元素相比较,Ni、Co、Cr偏析程度较小,提高热等静压温度及压力,各元素的偏析程度均有所降低,γ/γ′共晶组织含量逐渐减少,同时枝晶干γ′相的尺寸显著降低,但面积分数无明显变化。此外,3种热等静压合金均出现大块状MC碳化物碎化、二次MC碳化物析出及晶界细小碳化物形成等现象,提高热等静压温度及压力后,这种现象加剧,且碳化物中Ta、Ti含量降低,TaC、TiC的分解倾向增加。     

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。     

基于第一性原理计算的镍基单晶高温合金掺杂的机器学习研究

高温合金的成分设计对其力学性能有至关重要的影响。多种掺杂合金元素的占位构型数量巨大,第一性原理计算成本很高。利用机器学习可加速第一性原理计算对镍基单晶高温合金中掺杂元素占位的研究。使用支持向量回归(SVR)和随机森林(RF)方法构建机器学习模型,对γ相和γ'相中11种合金元素(M=Al,Co,Cr,Hf,Mo,Ni,Re,Ru,Ta,Ti,W)的单位点置换能(E_(SS))和局部平均键长变化(Δd)分别进行独立预测。结果显示:随机森林方法整体优于支持向量回归,对W、Co、Mo、Re、Cr和Hf等元素的置换能预测平均绝对误差小于300 me V,对Ni、Ta和Ru元素的预测误差在300～500 me V之间,对Ti和Al元素的预测误差大于500 me V;对Δd的预测误差均在10-3量级。证明了基于第一性原理计算的机器学习模型可以对合金新掺杂元素的局部能量和结构变化进行预测,有助于指导多组元合金的成分设计。     

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。     

新型镍基粉末高温合金微量元素的相研究

对新型第3代粉末高温合金母合金、等离子体旋转电极法生产(PREP)粉末和热等静压态合金中的微量元素Hf,Zr和Ta的存在相进行了研究。结果表明:母合金中微量元素Hf,Zr和Ta主要以一次MC型碳化物存在,呈块状、条状和蝶状分布于枝晶间;原始粉末中碳化物大致可分为两类:一类为富Ti,Ta和Nb,另一类为含有Ta,Hf和Zr,两类碳化物均含有一定量非碳化物形成元素Co和Ni及弱碳化物形成元素Cr和Mo,以块状、粒状分布于枝晶间或胞晶间。另外,热等静压态分析表明,微量元素Hf,Ta和Zr主要以晶内和晶界MC型碳化物存在,说明微量元素Hf,Zr和Ta以MC型碳化物存在并具有一定遗传性的特点。与原始粉末相比,热等静压态γ′相和碳化物中的Ta量比较少。     

新型718合金的元素强化作用及组织稳定性研究

通过对718合金中沉淀强化元素Al，Ti以及固溶强化元素W含量的调整，研究了δ相形成规律及合金中γ″／γ′复合析出组织的形成条件，同时分析了合金的微观组织与力学性能之间的关系。结果表明，维持理想的（Al＋Ti＋Nb）含量（at％）及（Al＋Ti）／Nb原子分数比可以显著减少针状δ相的析出，得到稳定的γ″／γ′复合析出组织并提高合金的拉伸强度、持久及硬度等多项力学性能。而在718合金基础上，采用W强化的合金与原型718合金相比也显现出了更为优异的力学性能。     

合金元素对新型Co-Al-W合金热腐蚀行为的影响

研究了由γ'-Co₃(Al,W)相沉淀强化的新型钴基Co-Al-W 高温合金在800℃、75% Na₂SO₄+25% NaCl熔盐中的热腐蚀动力学及合金元素Mo、Nb、Ta和Ti对合金热腐蚀行为的影响。研究发现,2Mo、2Nb、 2Ta和2Ti合金比9.8W合金具有更好的抗热腐蚀能力,Mo和Ti对提高合金耐热腐蚀能力的效果比Ta和Nb显著。加入合金元素的合金热腐蚀膜由三层组成,即主要由Co氧化物CoO和Co₃O₄组成的腐蚀膜外层,由合金元素、Al、 Co及W复杂氧化物组成的中间过渡层和由Al、Co氧化物组成的腐蚀膜内层。随着腐蚀时间的增加,中间过渡层厚度逐渐增加,热腐蚀膜内、外层厚度变化不大,但内层致密性逐渐增加。     

合金化和热处理对难熔金属硅化物基合金组织和性能影响的研究现状

综述了合金化和热处理对硅化物基合金组织和性能的影响。在铌硅化物基合金中添加Mo，W或Al后，电弧熔炼态组织中的硅化物相为βNb5Si3；添加Cr或者V后，硅化物相为αNb5Si3：加入Ti后，硅化物相是Nb3Si。添加Ti，Hf和B可提高铌硅化物基合金的室温断裂韧性，添加W或Mo后合金的高温强度显著提高，而添加Cr，Al和Ti明显改善其高温抗氧化性能。在MoSi2中加入W，Nb和Ge等合金化元素后分别形成（Mo，W）Si2，（Mo，Nb）Si2或Mo（Si，Ge）2等硅化物，但在钼硅化物基合金中添加B后生成α—Mo，Mo3Si和T2相（MoSiB2），并且T2相所占的体积百分比与B的含量成正比。α-Mo相的含量对合金的断裂韧性和抗氧化性有重要影响。Nb或Mo的硅化物基合金的热处理温度都比较高，经过再结晶退火后合金中的组成相及其所占的体积百分比均发生变化，并且组织粗化，但分布更加均匀，从而对力学性能有显著的影响。     

含Ta低Cr高W铸造镍基高温合金中α相的形成与转变

研究了不同含Ta量低Cr高W铸造镍基高温合金的铸态和1 100℃保温500 h、1 280℃保温20 min～3h热处理后的显微组织以及1 100℃,118 MPa条件下的持久性能.结果表明:低Cr高W铸造镍基高温合金中添加元素Ta会使共晶γ'相的数量显著增加.当(Ti Nb)含量恒定在2.1%(摩尔分数),(Ta Al)含量达14.4%(摩尔分数)时,合金凝固后期将形成α(W,Mo) γ'共晶;少量α相不会明显降低合金的持久性能,但α相在高于1 260℃下固溶处理或在1 100℃长时热暴露时是不稳定的,它会溶解或转变成块状M6C,从而损伤合金的高温持久性能;Ta是一种有利于提高高温合金高温强度的元素,但Ta含量应与合金中的Al含量相适应,须按等摩尔分数原则相互替换;具有Ni-10Co-1.5Cr-16W-2Mo-1Nb-5Al-4Ta成分的合金性能最佳.     

新型Co-Al-W合金高温氧化激活能研究

钴-铝-钨合金是一种由γ′-Co3(Al,W)相沉淀强化的新型钴基高温合金。测定了该合金在800和900℃下空气氧化增重动力学数据,通过线性拟合得到合金在不同温度下的氧化速率常数。根据氧化速率常数的Arrhenius关系,计算合金在800和900℃高温环境中的氧化激活能。研究发现,7.5W、9W和10.7W合金中9W合金氧化激活能最高;合金元素Mo、Nb、Ta和Ti加入之后,Co-Al-W合金的氧化增重和氧化激活能发生变化,由此可以预测该合金在高温环境中的抗氧化能力。     

铸造Ni3Al基合金的韧化研究

本文报道了铝当量为19-23at.-%的一系列铸造Ni_3Al基合金的显微组织和塑性及其与合金元素间关系的研究结果。表明,Hf、Ti和Zr显著地改变初生Ni_3Al(γ’)相的形态和分布并细化其尺寸,而Nb、W和Ta则不具有上述作用,在显微组织被细化的合金中,形成韧性的γ’-γ-γ’界面,消除了本质弱化的γ’-γ’脆性界面,初生相的尺寸可以控制在几十微米,表现出良好的塑性,尤其是中温塑性有较大改善。另外,组织细化的合金在无Cr时仍有可观的塑性,Cr对改善中温塑性有益,这可能是由于它改变合金中的γ相的数量和分布的结果。