难熔元素对镍基单晶高温合金凝固特性及组织的影响

镍基单晶高温合金的性能与难熔元素Re、W、Ta等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添加的特点,综述了难熔元素对镍基单晶高温合金的凝固特性与凝固组织的影响,并指出了其中存在的问题,展望了未来研究发展的方向.     

Ru对一种高W镍基单晶合金蠕变性能的影响

设计并制备了4%W/无Ru、6%W/无Ru以及6%W/2%Ru三种镍基单晶高温合金,通过蠕变性能测试、组织形貌观察、元素分布测定以及XRD谱线测定,研究Ru对一种高W镍基单晶合金蠕变性能的影响。结果表明,提高W含量会促进拓扑密堆相(TCP)析出,从而影响蠕变寿命,6%W/无Ru合金在1070℃/137 MPa条件下的蠕变寿命仅为58 h。元素Ru可改善元素W在γ/γ两相的浓度分布,高温蠕变期间元素Ru可抑制元素W由γ相向γ相扩散。6%W/2%Ru合金经高温蠕变无TCP相析出,其在1070℃/137 MPa条件下的蠕变寿命高达383 h。三种合金在高温蠕变期间,γ相均可形成垂直于应力轴方向的筏状结构,TCP相可破坏筏状结构的连续性,导致γ/γ两相扭折程度加剧,是6%W/无Ru合金蠕变寿命较低的主要原因。     

先进镍基单晶高温合金蠕变行为的研究进展

先进镍基单晶高温合金具有优良的成分兼容性,在1 000℃以及更高温度下仍能保持较高的组织稳定性、抗蠕变性、抗疲劳性、抗氧化性和抗腐蚀性能,被广泛应用于现代航空发动机和地面燃气轮机的涡轮叶片等关键热端部件。在服役过程中,镍基单晶高温合金主要发生涡轮叶片旋转造成的蠕变及疲劳变形。另外,现代航空发动机对涡轮进口温度的要求不断提升,使得镍基单晶高温合金的承温承载能力面临着更大的挑战。长期以来,材料科研工作者尝试了许多方法来提升镍基单晶高温合金的蠕变性能:在镍基单晶高温合金中添加了大量的难熔元素(W、Cr、Mo、Re等),降低了元素的扩散速率,从而提高了合金的固溶强化水平;添加了γ'相形成元素(Al、Ti、Ta),形成金属间化合物γ'沉淀相,利用γ'沉淀相与γ基体相之间的相干应变、有序化,以及弹性模量和堆垛层错能差异等沉淀强化机制,提高合金的强度;通过调整热处理制度,进一步优化沉淀相的尺寸、形态以及体积分数,最大化沉淀强化效果;通过调整Mo与Re的含量,提高γ'沉淀相与γ基体相的错配度,细化γ/γ'界面位错网间距,强化γ/γ'相界面强度,提高镍基单晶高温合金的蠕变抗力;同时加入适量的Pt族金属元素,抑制了TCP有害相的析出,进一步稳定了合金组织。然而,镍基单晶高温合金中元素的合金化程度已很高,在CMSX-10中难熔元素的含量高达20.5%,这已经接近镍基体的溶解度极限;同时,也带来了其他一系列问题:组织不稳定性(包括凝固缺陷析出倾向的增加、TCP相的析出)以及合金密度和成本的增加。另外,对于第四代及其后续的镍基单晶高温合金的设计,除依赖提高难熔元素含量和加入铂族元素稳定组织外,并无其他公开、有效的措施。现行措施也与现代工业追求低密度、低成本、环境友好的理念背道而驰。因此,深入认识镍基高温合金成分-组织-结构-性能之间的内在联系十分重要,亟待突破现有的合金设计理论。本文试图从最重要的长时力学性能之一的蠕变性能出发,分别对镍基单晶高温合金成分、组织结构、蠕变行为特点等方面进行了阐述,重点探讨了固溶元素、γ'体积、尺寸、形态、γ/γ'界面、堆垛层错能(SFE)、反相畴界能(APB)等因素对蠕变行为、蠕变机制的影响规律,分析了镍基单晶高温合金蠕变行为研究面临的问题,并展望其研究前景,以期能够深入理解单晶高温合金的强韧化机理,为新一代镍基单晶高温合金的设计提供一些思路。     

钌和铼对先进单晶高温合金组织稳定性的协同影响

为研究高代单晶高温合金组织稳定性影响机制,制备含6%(质量分数,下同)Ru和4.5%Ru的两种单晶高温合金D1和D2,经完全热处理后在980℃下长期时效1000 h。观察不同尺度上的显微组织及合金元素分布,并结合热力学计算进行分析。结果表明:两种合金经完全热处理后仍有较高含量的高熔点合金元素偏析于枝晶干中,使枝晶干区域长期时效后均有较多TCP相析出;两种合金中,Ru和Re均为TCP相主要形成元素,Ru含量较高的D1合金中TCP相析出量多于Ru含量较低的D2合金;Ru和Re含量增加会使合金平均d轨道电子能级增大,增加合金TCP相析出倾向,但由于Ru可以降低Re在γ相中偏析程度,因此Ru含量增加又可以减少Re对合金组织稳定性的不良影响;在本研究中,Ru对TCP相析出的促进更为显著,因此,在980℃下长期时效1000 h后D1合金较D2合金析出更多TCP相。     

Ru对第四代镍基单晶高温合金DD22长期时效组织演化的影响EI北大核心CSCD

利用透射电镜和场发射扫描电镜研究了两种不同Ru含量(3%和5%,质量分数)的第四代镍基单晶高温合金DD22在1130℃长期时效过程中γ′相形貌演化、TCP相析出和界面位错网的演化情况。研究结果表明:在完全热处理后5Ru合金比3Ru合金的γ′相尺寸更小,形状更规则,γ/γ′相界面的错配度更大,高Ru含量使合金Re,Mo等元素出现反分配现象;5Ru合金在1130℃长期时效过程中γ′相粗化速率、溶解速率和形筏速率均低于3Ru合金;5Ru合金在长期时效1000 h后仍没有TCP相析出,而3Ru合金在时效50 h后便析出TCP相,随着长期时效时间延长,TCP相数量增多,尺寸增大;与3Ru合金相比,长期时效1000 h后5Ru合金γ′/γ界面位错网更加致密和规则;综上所述,Ru的元素反分配作用和低的扩散系数使5Ru合金比3Ru合金表现出更高的组织稳定性。     

不同元素对镍基合金铸态组织的影响

镍基单晶高温合金是一种应用于航空发动机涡轮叶片的重要合金,镍基单晶高温合金能够在航空发动机涡轮叶片工作时的恶劣工况条件下获得良好的使用性能。镍基单晶高温合金的性能与镍基单晶高温合金的凝固组织有着密切的联系,为获取更好的使用性能需要了解不同元素对镍基单晶高温合金铸态组织的影响,并以此为基础开发出性能更好的镍基单晶高温合金用,以提高航空发动机的性能。     

微量元素对镍基高温合金微观组织与力学性能的影响

在高温环境中镍基高温合金具有良好的高温强度、抗氧化性能、抗腐蚀性能和抗疲劳性能,被广泛应用于航空航天等领域。镍基高温合金优异的综合性能与其微观组织紧密相关。综述了微量元素B, C, Y, Ce, Hf, Re, Ru, P对镍基高温合金微观组织及其力学性能的影响。针对不同的镍基高温合金,对微量元素的不同作用进行讨论分析。镍基高温合金微观组织及其力学性能与微量元素的含量及其分布有关。添加于镍基高温合金中的微量元素分布在合金基体或者其析出相中,通过偏聚于晶界处或者元素偏析等方式,改变合金的微观组织,从而影响其力学性能。     

镍基单晶高温合金凝固缺陷研究进展

镍基单晶高温合金的凝固缺陷对其力学性能有很大的影响,减少和控制凝固缺陷对提高合金性能和降低成本具有重要意义。综述了镍基单晶高温合金定向凝固过程中可能出现的几个重要缺陷,包括缩松、雀斑、晶体取向的偏离和杂晶,重点讨论了这些缺陷的特点和产生的机理,并从合金成分、工艺参数、铸件结构等方面分析了凝固缺陷的影响因素,指出了减少单晶高温合金凝固缺陷的措施。     

静磁场对定向凝固镍基高温合金组织影响的研究进展

综述了国内外静磁场对镍基高温合金组织影响的研究现状,重点分析了施加不同方式、强度的静磁场对定向凝固镍基高温合金枝晶组织、元素偏析、凝固缺陷及高温力学性能的影响规律,并从变截面处杂晶的控制、晶体取向偏离的控制以及对凝固特性的影响机制等方面提出了静磁场在定向凝固镍基高温合金研究中潜在的发展方向。     

凝固速度对Ni/Ni3Al基高温合金组织演变及相变行为的影响

Ni/Ni3Al基高温合金因其优异的高温强度、抗氧化性能和抗蠕变能力等优点,被广泛应用于航空航天等领域.简要介绍了凝固速度对Ni/Ni3Al基高温合金中γ′,β相以及碳化物等析出相的组织演变及相变行为的影响,为Ni/Ni3Al基高温合金非平衡凝固的研究开发及组织调控提供借鉴和指导.Ni/Ni3Al基高温合金中γ′,β ...     

激光增材制造单晶高温合金研究进展

镍基单晶高温合金具有良好的高温强度、抗氧化和抗腐蚀性能、抗蠕变性能和组织稳定性,被广泛应用于制造航空发动机和燃气轮机叶片。由于其工作条件复杂恶劣,采用有效手段修复单晶叶片可以大大提高其使用寿命。综述了激光增材制造技术制备单晶高温合金的研究现状,介绍了激光增材制造技术制备单晶合金的理论基础,以及控制其单晶凝固组织的困难和不足,着重综述了激光增材制造技术控制单晶高温合金凝固制造的方法,主要包括通过激光参数调控温度梯度及凝固速率,以及通过基体晶体取向控制晶粒外延生长。最后,展望了该领域未来的主要研究方向和发展前景。     

镍基单晶高温合金小角度晶界的形成机制、影响因素与控制措施

镍基单晶高温合金被广泛用于制备先进航空发动机及工业燃气轮机的关键热端部件,随着铸件结构的复杂化和大型化以及合金中难熔元素的增多,凝固缺陷的形成倾向增大。其中,小角度晶界是定向凝固制备单晶高温合金铸件过程中经常出现的一类缺陷,它会破坏单晶的完整性,一旦超过容限就会对铸件的力学性能造成恶劣影响,随着单晶高温合金服役温度的不断提高,小角度晶界对性能的损害会更为严重。因此,小角度晶界日益成为镍基单晶高温合金发展和应用中需要解决的重要课题,受到国内外研究者的广泛关注。单晶中的小角度晶界与传统意义上的小角度晶界有所不同,是指相邻枝晶间的取向偏离。研究者们在不同晶界偏离角及不同温度条件下就小角度晶界对合金持久性能、蠕变性能及疲劳性能的影响进行了研究,结果发现:当偏离角较小时,小角度晶界对合金性能的影响并不明显,但是随着偏离角的增大及温度的升高,合金的性能均会降低。为了探寻有效的预防和控制措施,研究者们就小角度晶界的形成机制及影响因素进行了研究。关于小角度晶界的形成机制,被大家普遍认同的观点是:枝晶在分枝生长过程中发生了塑性变形,从而导致了枝晶的取向偏离,当枝晶再次汇聚时就会产生小角度晶界。但是,关于枝晶变形的原因则没有一致看法。另外,关于小角度晶界影响因素的研究还不是很系统,主要集中在合金成分及晶界强化元素、凝固参数及取向、铸件尺寸等方面。镍基单晶高温合金中的小角度晶界归根结底是由枝晶的取向偏离导致的,而取向偏离的影响因素复杂,因此小角度晶界的出现很难完全避免。目前,主要通过取向控制以减少小角度晶界的产生,并通过晶界强化以提高合金对小角度晶界的容限。本文阐明了单晶高温合金中的小角度晶界的概念,总结了小角度晶界对合金力学性能的影响,综述了小角度晶界形成机制的研究进展,分析了合金元素、微量元素、凝固条件和铸件结构等因素对小角度晶界形成的影响,在此基础上,提出了减少小角度晶界的措施和强化晶界的途径,最后就未来的研究方向进行了展望。     

3D打印镍基高温合金研究进展

金属3D打印技术依照三维模型进行复杂几何形状构件的制造,可以制造传统制造手段无法实现的复杂结构,已经成为复杂高温合金构件成形的重要技术手段。然而,当采用3D打印工艺制备镍基高温合金构件时,存在原料/能量源/熔池之间的相互作用,并在大温度梯度、极快冷等条件下会进行非平衡凝固,这些特殊的过程决定了3D打印镍基高温合金有着不均匀的微观组织与各向异性的力学性能。现阶段,对增材镍基高温合金微观结构-性能-使役行为的理解比较欠缺,严重限制了其在工业领域的广泛应用。本文讨论了3D打印镍基高温合金的特点;归纳了不同制粉方式、粒径比、粉末成分、缺陷、流动性等粉末原材料特性对3D打印镍基高温合金冶金质量的影响;梳理了3D打印激光能量、扫描速度、扫描间距等工艺参数对镍基高温合金晶粒、析出相及偏析等微观组织的影响;讨论了影响3D打印镍基高温合金拉伸、蠕变及疲劳性能的因素。最后,总结了3D打印镍基高温合金发展过程中面临的问题及可能的对策,提出了一些值得探索的方向。     

镍基高温合金定向凝固过程中雀斑缺陷研究进展

本文简述了近年来定向和单晶镍基高温合金凝固过程中雀斑缺陷的研究进展,具体论述了雀斑缺陷的形成机制以及雀斑的预判模型,并从合金成分、凝固参数(抽拉速率和温度梯度)、凝固界面形态以及试样形状和尺寸等方面分析和论述了这些因素对雀斑缺陷形成的影响,最后对未来镍基高温合金中雀斑缺陷的研究方向进行了探讨和展望。     

Effect of element Ru on microstructure and creep behaviour of single crystal nickel-based superalloy

By means of creep property measurement and microstructure observation, the influence of element Ru on the microstructure and creep behaviour of single crystal nickel-based superalloy is investigated. The results show that the plate-like μ phase is precipitated along {111} plane of the Ru-free alloy during thermal exposure at 1080°C and creep at 980°C. And the precipitation of μ phase in the alloy with 6(wt)%Mo and 6(wt)%W may be restrained by adding 2% Ru element. Compared to Ru-free alloy, the creep life of the 2% Ru single crystal alloy at 980°C200 MPa increases form 123 h to 333h. Compared to the 2% Ru alloy, the precipitated plate-like μ phase in the Ru-free alloy may promote the initiation and propagation of cracks along the γ matrix up to fracture, which is thought to be the main reason of the alloy having a lower creep resistances and shorter lifetime.     

Development of a Nickel Based Superalloy (Putalloy) with Rhenium and Platinum

A new nickel-based superalloy (Putalloy) containing rhenium and platinum has been designed by a computer program. The program uses an iterative process to ensure that the alloy composition has an electron hole number N_v of less than 2.0. Values of N_v less than 2 are expected to reduce the formation of topologically-close-packed and geometrically-close-packed phases in superalloys after prolonged exposure in service. This in turn should significantly improve creep strength. Stress rupture tests at several temperatures indicate that the creep strength of this new alloy is indeed superior to that of some of the existing polycrystalline Ni-based superalloys. Other mechanical properties such as tensile strength, and yield strength, of the as-cast and solution treated Putalloy samples were found to be comparable to conventional and existing Ni-based superalloys at room temperature and at 500 and 800°C. The oxidation resistance of putalloy was found to be superior to the existing nickel based superalloys.