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。     

热处理对一种抗热腐蚀单晶高温合金组织和持久性能的影响

研究了热处理对一种抗热腐蚀单晶高温合金微观组织及1070 ℃/140 MPa持久性能的影响。结果表明：长时间的均匀化热处理显著降低了元素偏析;随着均匀化时间的延长,微孔面积分数逐渐增加,平均尺寸不断增大,微孔的密度呈先升高后降低的变化趋势;随一级时效温度的升高,γ′相尺寸逐渐增大,γ′相面积分数先增加后减少;合金的持久寿命随一级时效温度的提高先升高后降低,一级时效温度为1100 ℃时,立方状γ′相尺寸约370 nm且正方度较好,γ′相的面积分数最大,持久寿命最高;持久断口具有韧性断裂特征,亚晶界处的碳化物和微孔是引起持久试样断裂的主要裂纹源。     

应用d—电子合金设计理论发展新型抗热腐蚀单晶镍基高温合金 Ⅰ.相稳定性临界条件的确定

为应用d-电子合金设计理论(或新相分计算法(New PHACOMP))设计发展新型抗热腐蚀单晶高温合金,首先对高Cr抗热腐蚀IN738LC系列合金Ni—16Cr—9.5Al—4.0Ti-8.0Co—0.55Nb—0.06Zr—0.05B—0.47C-Ta—W—Mo(at-％)的相稳定性进行了综合评价得出抑制σ相析出的稳定性临界条件为Mdt<0.991或Mdγ<0.93同时证明这两个临界电子参数具有等价性,可以用Mdt代替Mdγ简化合金设计过程.这一结果可适用于其它高Cr系列抗热腐蚀镍基合金的d-电子合金设计     

偏离度对抗热腐蚀单晶高温合金DD483拉伸性能的影响

用螺旋选晶器法制备DD483抗热腐蚀单晶高温合金,在偏离度小于100时测试合金从室温到1 000℃的瞬时拉伸性能:研究0～30.范围内偏离度对合金室温和950℃拉伸性能的影响.结果表明:由于单相γ'的反常屈服行为,750 ℃时合金的抗拉强度达到峰值1 300 MPa,屈服强度达到1 105 MPa;偏离度在0～30°范围内,DD483合金室温及950℃时的屈服强度和抗拉强度均随偏离度增加而减小,塑性随偏离度的增加而增大;不同偏离度样品的室温拉伸的变形机制并没有明显差别,拉伸性能的差异主要在于Schmid因子和弹性模量的不同;950℃时由于开动滑移系数目的增加,偏离度对合金拉伸强度的影响相对室温的影响减小.     

应用d—电子合金设计理论发展新型抗热腐蚀单晶镍基高温合金——Ⅱ合金元素对显微组织和性能的影响

本文系统地研究了Ti,Ta和Nb三个γ′形成元素在抗热腐蚀合金系统Ni-16Cr—9Al-4Co—2W—1Mo—Ti-Ta—Nb(at-％)中的作用该合金系统是根据d-电子合金设计理论和镍基高温合金合金化的特点选出的根据DTA和图象仪分析结果确定了凝固反应温度以及共晶(γ+γ′)体积分数在Ti-Ta—Nb浓度三角形中的等值线分布,与参考合金IN738LC相比较,在所研究的大部分成分范围内,设计合金表现出很低的共晶(γ+γ′)析出(<0.4v-％),较低的凝固范围(<65℃)和较宽的热处理温度范围(>100℃),说明合金具有良好的组织稳定性,单晶铸造性能和热处理工艺性能.经长期时效(900℃/500h)后,无TCP相析出,在很宽的成分范围内,试验合金表现出良好的抗热腐蚀性能(900℃/24h坩埚试验,失重<20mg/cm~2)综合各项结果,给出了可供选择合金成分进行最后单晶生长及力学性能评价的具有较好综合性能的成分范围     

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...     

应用d－电子合金设计理论发展新型抗热腐蚀单晶镍基高温合金──Ⅲ．性能评价

根据ｄ－电子合金理论研究了合金系统Ｎｉ－１６Ｃｒ－９Ａ１－２Ｗ－１Ｍｏ－４Ｃｏ－Ｔｉ－Ｔａ－Ｎｂ（ａｔ．－％）的热腐蚀行为。选择了最佳成分范围内的４种成分进行单晶生长及性能评价。确定了性能匹配最佳的合金成分（ａｔ．－％）为：Ｎｉ－１６Ｃｒ－９Ａ１－２Ｗ－１Ｍｏ－４Ｃｏ－３．１２５Ｔｉ－０．８７５Ｔａ。完成了整个合金设计过程．该合金抗热腐蚀能力达到或超过ＩＮ７３８ＬＣ，使用温度比ＩＮ７３８ＬＣ高７０－９０℃，其持久强度达到ＣＭＳＸ－２的水平，试验证明ｄ－电子合金设计理论可以用于研制开发高性能抗热腐蚀单晶镍基高温合金．     

Pt-Al涂层对一种镍基单晶高温合金抗热腐蚀行为的影响

采用电镀Pt和化学气相沉积渗铝法在一种镍基单晶高温合金表面制备Pt-Al涂层,该涂层为单一β-(Ni,Pt)Al相结构.选用涂盐法分别在无涂层和Pt-Al涂层试样表面涂覆Na2SO4盐,并在900℃常压炉中进行热腐蚀实验.通过热腐蚀动力学、热腐蚀产物、热腐蚀宏观表面形貌和微观结构的对比,分析Pt-Al涂层对镍基单晶高温合金热腐蚀行为的影响.采用XRD、SEM、EDS和EPMA等检测方法进行分析.实验结果表明:经900℃热腐蚀后,Pt-Al涂层可以提高基体合金的抗热腐蚀性能,Pt-Al涂层试样的热腐蚀速率小于无涂层试样;β-(Ni,Pt)Al相中的Pt原子能够抑制S原子向β-(Ni,Pt)Al相中扩散,将S原子阻隔在氧化物-金属界面处,从而降低基体合金的热腐蚀速率;Pt原子也能够将大量难熔的Ta原子阻隔在互扩散区内,仅有少量的Ta原子扩散到氧化物中,减少了Ta2O5的形成;此外,Pt-Al涂层能够在一定程度上抑制氧化膜-金属界面处孔洞的形成.     

镍基单晶高温合金组织稳定性的数学统计分析

镍基单晶高温合金的组织稳定性与难熔元素铼(Re)和钌(Ru)的含量之间有着紧密的联系。总结了在镍基单晶高温合金的发展过程中难熔元素Re和Ru添加的特点;综述了难熔元素Re和Ru对镍基单晶高温合金的组织稳定性的影响,并指出了其中存在的问题,展望了未来研究发展的方向。     

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.     

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.     

镍基单晶高温合金雀斑组织特征

采用OM、SEM、EBSD、TEM等方法研究了第3代单晶高温合金DD9雀斑铸态、热处理态组织及化学成分特征。结果表明：雀斑是由取向杂乱、细小的等轴晶粒组成,通常平行于晶体生长方向,呈链状分布在铸件的表面,其深度与宽度为400~800 μm;雀斑区域含有大量γ/γ''共晶,且出现一定量的MC、M₆C型碳化物和疏松。热处理后雀斑区域等轴晶粒边界出现大尺寸γ''相及颗粒状的M₆C相。雀斑区域含有较多Ta、Al等元素,而Re、W等元素含量较少,雀斑区域成分更加接近枝晶间成分。     

定向凝固和单晶高温合金的再结晶研究

定向凝固和单晶高温合金具有优异的高温力学性能,是制造先进航空发动机涡轮叶片的主要材料.定向凝固和单晶高温合金的优异性能主要来源于消除了与主应力轴垂直的晶界,而再结晶的出现会显著降低合金的高温力学性能.针对近年来国内外对于定向凝固和单晶高温合金再结晶的研究,系统地介绍了定向凝固和单晶高温合金再结晶的特点、主要影响因素、再...     

单晶高温合金断裂特征

对单晶高温合金高温拉伸、低周疲劳、高周疲劳和持久断裂特征进行试验研究。结果表明：单晶高温合金高温拉伸断口具有类解理断裂与韧窝断裂的混合特征,断裂机制为中心微孔聚集型断裂。低周疲劳断裂在高应变幅下为多疲劳源,裂纹扩展初期断口与主应力方向垂直,随后疲劳裂纹沿特定晶体学平面扩展;在低应变幅下为单疲劳源,疲劳裂纹沿特定晶体学平面扩展。高周疲劳断裂为单疲劳源,在大应力下断口由多个相交的特定晶体学平面组成,应力较小时,断口由一个大的晶体学平面和瞬断区组成。疲劳裂纹在晶体学平面上扩展形成的疲劳条带间距很宽。高温持久断裂机制为微孔聚集型断裂,显微缩孔成为持久断裂的主要裂纹源。表面再结晶对高温持久断裂机制影响较小,但会使持久性能降低。     

单晶高温合金再结晶的抑制方法研究进展

单晶高温合金具有优异的高温力学性能,是制造先进航空发动机涡轮叶片的主要材料。单晶高温合金的优异性能主要来源于消除了晶界,而再结晶的出现会显著降低合金的高温力学性能;因此,研究单晶高温合金再结晶的抑制方法对单晶高温合金叶片的安全使用具有重要意义。本综述主要介绍了近年来国内外对于单晶高温合金再结晶抑制方法方面的研究成果,包括预回复热处理、渗碳、涂层以及去除表面变形层等对再结晶的抑制作用,以及晶界强化元素对再结晶危害的修复作用。     

Ru对镍基单晶热暴露组织演变及持久性能的影响

对比研究了不含Ru的USTB-F7及添加2.5 wt％ Ru的USTB-F8两种镍基单晶高温合金的组织稳定性和持久性能.标准热处理与1100℃长期热暴露组织研究表明:合金USTB-F7中γ′相形貌介于球形和立方形之间,属中间态形貌;热暴露2000 h后,其形貌仍保持稳定,仅发生粗化而未发生筏排化.Ru的添加使Re元素在γ/γ′中的分配比增大,提高了合金USTB-F8的γ/γ′点阵错配度和γ'相的立方度,从而加速了长期热暴露过程中的筏排化进程,经2000 h热暴露发生了明显的筏排化现象.同时,合金USTB-F7热暴露700 h后在枝晶干处析出了富集Re、W和Cr元素的TCP相,Ru的加入有效地抑制了TCP相的析出,合金USTB-F8直至2000 h仍未析出TCP相.1100℃/140MPa持久性能测试表明,Ru显著提高合金的持久寿命,这与Ru增加合金中的y相体积分数和γ/γ′点阵错配度,促进筏排组织的形成,并减小时效组织中的γ通道宽度有关.     

Hot Corrosion of a Single Crystal Ni-Base Superalloy by Na-Salts at 900°C

The hot corrosion behaviors of a single crystal (SC) Ni-base superalloy coated with Na₂SO₄ and 75 wt.% Na₂SO₄-25 wt.% NaCl mixture were studied in air at 900°C. The results showed that the corrosion productions were laminar structure, porous and easily spalled. And sulfides formed quickly in the deep SC superalloy under the corrosion production. The addition of NaCl into Na₂SO₄ considerably accelerated the corrosion of the SC superalloy, and the corrosion scale became more porous. The hot corrosion process was explained based on sulfide formation and its subsequent oxidation.     

先进单晶高温合金均匀化-固溶热处理的研究与设计

为设计更适用于先进单晶高温合金的均匀化-固溶热处理制度,研究了不同热处理温度和时间对一种先进单晶高温合金组织的影响。使用金相显微镜和场发射电子显微镜观察合金组织,使用电子探针测试合金元素分布,并分析试验结果。试验发现,当温度直接升至γ′相溶解的实际起始温度1338℃时,合金不会发生初熔;当温度直接升至γ′相溶解的外推初始温度1350℃时,合金中出现了明显初熔,但初熔组织随着保温时间的延长逐渐减少;当温度直接升至较低的1328℃时,合金中虽然没有发生初熔,但均匀化效率明显降低。结合先进单晶高温合金高熔点元素含量较高的特点对试验结果进行热力学和动力学计算与分析,结果表明,单晶高温合金的均匀化-固溶热处理窗口是一个动态的窗口,γ′相完全溶解温度和初熔温度均随着合金均匀化程度的提高而提高;高代单晶高温合金在均匀化-固溶热处理中,不须要将温度始终保持在铸态合金的初熔温度以下,只要保证温度低于合金所在均匀化状态对应的初熔温度即可;均匀化-固溶热处理中,提高每一台阶的温度可以得到的均匀化-固溶效果远优于延长热处理时间可达到的效果。根据试验及分析结果提出了一种适用于先进单晶高温合金的均匀化-固溶热处理制度设计方法,使试验合金在较短时间内得到了理想的合金组织和均匀化效果。     

X射线衍射法测量单晶高温合金的取向

以镍基单晶高温合金AM3为研究对象,介绍一种X射线衍射法测量单晶体取向的原理.该方法采用X射线θ扫描与试样自转相结合,使晶面法线多次通过衍射面来获得晶体晶面与试样外表面的夹角关系.通过实例计算与实验结果相比较验证了该方法的可靠性,说明高温合金单晶取向性及判定的方法.该方法操作简单、结果精确,是确定单晶高温合金取向的有效途径.