ANTIPHASE DOMAIN BOUNDARY ENERGY OF γ′ [Ni_3(Al,Ti)] PARTICLES WITH VARIOUS Al CONTENTS AND THEIR STRENGTHENING CONTRIBUTION TO A Ni-BASE ALLOY GH99

GH99镍基合金在室温拉伸变形条件下,被位错切割过渡到被位错绕过的γ'[Ni_3(Al,Ti)]质点的临界直径约为60nm.在同样条件下,该合金γ'强化的方式属于被位错切割机制.增加γ'相中Al含量能提高其反相畴界能和增大合金塑性变形的临界分切应力.GH99镍基合金的室温屈服强度理论计算值与实测值很接近.由γ'沉淀强化所贡献的强度占总强度的45％到64％,它随γ'相中Al含量的增多而增大.晶界碳化物强化所贡献的强度很少,只占2—3％。     

Al含量对镍基高温合金组织和性能的影响

利用真空感应熔炼炉制备了不同Al含量的镍基合金,研究了Al含量对镍基合金微观组织和力学性能的影响.结果表明,当Al含量为9.5wt％时,合金铸态组织主要由γ'相和γ相组成;当Al含量超过10.5wt％时,合金中出现β(NiAl)相;当Al含量超过13.5wt％时,合金中出现α(Cr)相;当Al含量达到17.5wt％时,合金中的γ'和γ相消失,主要由β(NiAl)相和α(Cr)相组成.随着Al含量的提高,合金的强度和伸长率呈下降趋势,断裂由穿晶向沿晶转变.     

基于二维离散位错动力学的颗粒强化机制建模

基于二维离散位错动力学方法,以含有L12型长程有序γ'沉淀相的镍基合金为研究对象,根据材料实际的晶体结构建立了相应的模型。研究了颗粒体积分数与平均半径对金属及合金强度的影响,实现了材料临界分切应力的预测。为了使有限元模型与实际Ostwald熟化晶体中的颗粒分布更为接近,模型考虑了颗粒的LSW分布规律。此模型中颗粒简化为球形,其在三维空间中的体积分数分别为5. 5%、8%和10. 5%,平均半径分别为16b、25b和36b (b为位错的柏氏矢量大小),位错与颗粒之间的交互作用基于位错切过机制。结果表明,欠时效状态下γ'沉淀相的体积分数或平均半径的增大都会导致镍基合金的临界分切应力增大。临界分切应力一定程度上体现了材料强度,临界分切应力越大,材料强度越高,因此可以通过增大颗粒体积分数和平均半径提高材料强度。     

EFFECTS OF AL ON MICROSTRUCTURE AND STABILITY OF GH4169 ALLOY

GH4169合金中当Al含量处于合金标准范围内(0.45%)时, 其晶内强化相γ'和γ'分开析出, 晶界主要 析出相为β相; 当Al含量为1.24%以上时, 合金晶内析出γ'/γ'“包覆组织”, 晶界β相显著减少, 而析出了大量 的Laves相和少量的M7C3相及σ相. 680 ℃, 1000 h 长期时效后, 高Al合金中 “包覆组织”长大缓慢, 但晶界 相数量显著增加, 尺寸明显长大, 而且析出了α-Cr相. 随Al含量增加, 这种趋势更加明显. Al含量增加显著地 降低合金的室温冲击韧性, 680 ℃长期时效后, 冲击值更低.     

Al含量对铸造高钨合金显微组织和高温拉伸性能的影响

对Al含量分别为4.5%、5.5%、6.5%和7.0%(质量分数)的4炉铸造高W镍基合金的显微组织和1100℃的高温抗拉强度进行了对比研究,结果表明:Al含量为4.5%和7.0%的合金高温强度不高的主要原因是强化相次生γ'相含量不足50%(体积分数)以及过量的共晶γ'相和α(W,Mo)相析出。5.5%和6.5%的合金次生γ'相含量为56%~57%,共晶γ'相含量为6%~12%,其1100℃高温拉伸强度达到同类合金最高水平,为488~518 MPa。目前该合金已用于制造1050~1080℃工作的大型等温锻造模具,其Al含量的成分范围为5.5%~6.5%(质量分数)。     

镍基高温合金γ′相析出的经典动态模型及应用

基于经典形核理论,考虑温度和保温时间对沉淀相析出的影响,建立了镍基高温合金中γ′沉淀相析出模型.同时结合GH738合金在等温时效实验条件下获得的γ′相析出特征值数据,验证模拟计算结果的相对正确性.结果表明,沉淀相析出过程经典动态模型可较好预测多元复杂镍基合金体系γ′相以均匀形核为主的析出过程.进一步利用该模型对GH80A,GH738,U720Li和DD407共计4种典型高温合金计算分析了Al和Ti含量及其比值变化对γ′相析出行为的影响.结果表明,对于γ′相平衡态含量,Al的作用程度比Ti大;而在Al+Ti总量不变的前提下,Ti含量增加将对提高γ′相的析出驱动力,从而减少完全析出时间有较大的贡献;Ti含量的增加也将使得沉淀相在析出初期的数量增加,而尺寸减小.     

Ti、Al对Fe-Ni基合金时效硬化行为的影响

Fe-Ni基沉淀强化奥氏体合金的性能强烈依赖于γ'相,而Ti、Al含量的改变,直接影响到γ'相的析出行为,从而影响合金的性能。本文采用光学显微镜、扫描电镜和显微硬度研究了Ti、Al含量对γ'及η相析出规律的影响,揭示了不同Ti、Al含量Fe-Ni基合金的时效硬化行为。结果表明,提高合金中的(Ti+Al)含量,γ'相的析出数量增加;提高Ti/Al比对γ'相的析出数量影响不大,但会加快γ'相的长大速率。Ti、Al的扩散速率决定γ'相及η相的析出行为,从而造成不同Ti、Al含量Fe-Ni基合金时效硬化行为的差异。     

温度对高W含量K416B镍基合金拉伸行为的影响

在不同温度对高W含量K416B镍基合金进行拉伸性能测试及组织形貌观察,研究了温度对合金拉伸行为的影响规律.结果表明,在20~800℃,合金的屈服强度与抗拉强度随着温度的升高而增加,高于800℃后,合金的拉伸性能逐渐降低.合金室温拉伸变形特征为位错剪切γ′相或以Orowan机制越过γ′相,且切入γ′相位错可分解形成层错.随着温度升高,合金基体内的位错密度逐渐增加,其中,800℃拉伸时,合金基体内形成高密度位错缠结,可起形变强化作用,是合金具有较高拉伸强度的主要原因.随着温度进一步升高,切入γ′相的位错数量增加,致使合金强度逐渐降低.在中低温条件下,裂纹主要沿大尺寸M6C碳化物处萌生与扩展,致使合金发生脆性断裂.而高温拉伸期间,合金主要以微孔聚集方式沿γ+γ′共晶界面发生连接开裂,是合金发生韧性断裂的主要原因.     

稳定化处理对优质GH738合金组织及力学性能的影响

采用光学显微镜、扫描电镜和力学性能测试等研究了稳定化处理对优质GH738合金组织及力学性能的影响.结果表明,稳定化温度对优质GH738合金的组织和强度影响不显著,845℃及以下时,随稳定化温度的升高,优质GH738合金的强度和持久寿命略微升高,主要原因在于二次γ'相的尺寸随稳定化温度的升高逐渐长大,一次γ'相尺寸基本不变,二者含量随稳定化温度的升高变化不明显;与稳定化温度相比,稳定化处理时间对优质GH738合金组织和性能的影响作用更加显著,随稳定化时间延长,两种γ'相的尺寸均缓慢长大,而合金强度先升高后降低.不同稳定化处理条件下优质GH738合金的力学性能变化的本质是一次及二次γ'相的尺寸、分布及其与位错的交互作用所致.     

应力时效对发动机用GH4169镍基合金组织演化及蠕变抗力的影响

研究GH4169定向凝固镍基合金在近服役状态下表现出的蠕变性能,并对其进行SEM与TEM微观形貌表征。结果表明:合金蠕变过程包含了初期蠕变、稳态蠕变与加速蠕变3个阶段。合金可以达到9600 h的较长蠕变寿命,表明此合金具备优异的蠕变抗力。经过3000 h蠕变后,γ'相尺寸变得更加粗大,γ基体通道内发生了大量位错滑移的现象,同时,也有部分位错通过剪切方式进入到γ'相中。对合金进行固溶热处理后,晶界区域生成了许多细小碳化物,且在枝晶间产生了约0.4μm的近立方γ'相。当应力时效时间逐渐延长后,γ'相厚度开始增大;当试样最后蠕变断裂时,断口区的γ'相厚度约为1.8μm。     

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。     

Ta元素对新型γ+γ＇双相Ir基高温合金显微组织和力学性能的影响

Ir-13W-6Al(at.%)合金是一种由γ＇-Ir3(Al,W)相强化型铱基超高温合金,在航空航天极端环境下展现出良好的应用前景。本文在Ir-13W-6Al三元合金基础上,分别添加2,5和8 at.%的Ta元素,研究其对γ+γ＇双相铱基合金显微组织结构、γ＇强化相数量、析出相形貌、高低温力学性能以及压缩断裂特征的影响。结果表明：γ＇相的体积分数随着Ta含量增加而增大;添加Ta元素后合金的维氏硬度以及纳米硬度均高于三元Ir-13W-6Al合金;1300 ℃下合金抗压强度随Ta含量的增多而提高,强度的提高可归因于γ＇-Ir3(Al,W)强化相的析出和Ta元素的固溶强化作用。Ta元素的添加有效地改善了Ir-13W-6Al三元合金体系的室温、高温力学性能,为发展超耐温高性能γ+γ＇双相铱基合金的成分设计和结构优化提供了实验基础和理论依据。     

Al对IN718合金拉伸性能及稳定性的影响

Al对IN718合金拉伸性能及其稳定性影响的研究结果表明,在标准热处理状态下,Al增加合金中γ"和γ'相析出总量,提高合金室温和680℃的抗拉伸强度,但Al抑制晶界δ相析出,促进Laves相、M7C3相和σ相等在晶界析出,恶化合金的拉伸塑性.经680℃长期时效以后,γ"和γ'相粒子长大,其中高Al合金中析出的γ"/γ'"包覆组织"的长大速率比常规合金中的γ"相小,但两者拉伸强度下降的速度基本相同;合金晶界状态恶化,使室温拉伸塑性明显降低;强化相粒子长大,合金基体的高温强度降低,使680℃拉伸塑性升高.     

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.     

Re对单晶镍基合金蠕变行为的影响

通过对有Re和无Re单晶镍基合金进行蠕变性能测定,结合组织形貌观察,研究了Re对单晶镍基合金蠕变行为的影响.结果表明,Re可有效提高合金的高温蠕变抗力,与无Re单晶合金相比较,加入2%的Re后,可使合金在高温低应力条件下的蠕变寿命有较大幅度的提高,计算出2%的Re合金在稳态蠕变期间的蠕变激活能Q=478.6 kJ/mol,应力指数n=5.1.合金在蠕变初期的变形特征是(1/2)<110>位错在基体通道中滑移,运动位错相遇发生位错反应,在γ、γ'两相界面处形成位错网,可提高合金的蠕变抗力.蠕变后期,合金的变形机制是<110>超位错切入筏状γ'相内.     

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。     

脉冲磁场强度对GH99镍基合金力学和微动磨损性能的影响

为研究不同磁场强度对镍基合金力学性能和耐磨性能的影响规律,在脉冲强磁场设备上对GH99镍基合金试样进行脉冲磁处理。通过观察显微结构,分析了GH99镍基合金的磨损机理和强化机制。结果表明：外加脉冲磁场可改善材料位错分布,减小试样表面残余应力的分散性;在磁场强度为10 T时残余压应力达到最大值（-223.45 MPa）,且此时材料拉伸断口的特征主要表现为韧性断裂,脉冲磁场处理合金产生亚结构位错胞有助于发挥细晶强化作用;在0~15 T范围内,随磁场强度增大,材料表面显微硬度和耐磨性能呈现先增强后减弱的规律,在脉冲磁场作用下合金材料内部的位错发生增殖致使位错密度增大,产生类似加工硬化现象,但磁场强度过大会导致位错塞积从而造成晶胞点阵畸变严重,出现材料性能恶化。     

高温时效对高温镍基合金沉淀强化的影响

研究了750～1050℃下长期时效对Ni3Al基高温合金沉淀强化的影响.结果表明:镍基高温合金在不同温度时效处理一定时间后,γ'沉淀强化相呈球形分散在γ基体上,随时效温度升高,γ'沉淀相微粒粗化,合金屈服强度降低,拉伸塑性提高.随着时效时间的延长,合金的屈服强度增大,但当时效时间超过1000 h之后,屈服强度和伸长率开始下降.Ni-Al合金的性能和沉淀相的颗粒大小、分布、体积分数及粗化速率等因素有关.     

Nb和Al对γ-TiAl基合金高温强度的影响

研究了Nb对γ TiAl基合金性能的影响 ,结果表明 ,高Nb合金化能大大提高γ TiAl基合金的高温强度 ,合金含Nb量越高 ,强度就越高。TEM观察表明 ,Nb对γ TiAl性能的影响类似于氧元素 ,增强d—d键的方向性 ,增加普通位错的P N力 ,提高普通位错开动的临界分切应力和滑移阻力。Al对γ TiAl合金性能的影响是通过影响合金中的α2 相含量来影响其性能的。随合金中Al含量升高 ,α2 相含量减少 ,位错运动非热激活阻力降低 ,合金的强度下降。     

Nb、Al含量对GH706合金组织及力学性能的影响

研究了降Nb提Al对GH706合金组织和力学性能的影响。当合金中Al含量由0.35%提高至1.26%(质量分数,下同),Nb含量由2.88%降低至1.98%后,可抑制晶内主要强化相γ″-Ni3Nb相的析出,促进γ′-Ni3Al相的析出,显著降低合金的室温屈服强度,但明显改善了合金的室温冲击性能。同时提Al降Nb还抑制了晶界强化相η-Ni3(Ti,Nb)相的析出,使得富Nb的Laves相及富Nb、Cr的Cr2Nb相析出,弱化了高温下的晶界强度,极大地恶化了合金的持久性能。