Re对单晶高温合金蠕变过程中γ′相定向粗化的影响

通过对三种Re含量不同的单晶高温合金1100℃／140MPa蠕变实验及组织分析，研究了Re对单晶高温合金蠕变过程中γ′相定向粗化的影响。结果表明，在单晶高温合金蠕变过程中，Re促进形成完整、细密、连续的γ′筏排组织，降低合金元素扩散速率，延缓γ通道厚度的增加，降低γ′相体积分数的减小速率，从而稳定了对合金高温强度起重要作用的γ′相，使γ′相的强化作用持续较长时间。     

Re对单晶高温合金蠕变过程中γ'相定向粗化的影响

通过对三种Re含量不同的单晶高温合金1100℃/140MPa蠕变实验及组织分析,研究了Re对单晶高温合金蠕变过程中γ'相定向粗化的影响.结果表明,在单晶高温合金蠕变过程中,Re促进形成完整、细密、连续的γ'筏排组织,降低合金元素扩散速率,延缓γ通道厚度的增加,降低γ'相体积分数的减小速率,从而稳定了对合金高温强度起重要作用的γ'相,使γ'相的强化作用持续较长时间.     

一种含Re/Ru镍基单晶合金的蠕变行为及其机理

针对含Re/Ru单晶合金共晶组织中的高熔点元素和高推重比发动机材料的高承温能力等问题,研究了固溶温度和组织演化对其高温蠕变行为的影响。结果表明,在1328℃固溶处理的合金中仍存在粒状残余共晶,在1332℃固溶处理可将其消除,使合金在1100℃/140 MPa的蠕变寿命由321 h延长到476 h。在蠕变初期的合金中γ′相转变为N-型筏状组织,在蠕变后期位错剪切进入γ′相形成的位错锁,可抑制位错运动,使合金的蠕变抗力提高。但是高应变速率下位错的交替滑移使筏状γ′相扭折和形成亚晶,可降低合金的蠕变抗力,特别是筏状γ′相转变成“类块状”形态的逆向组织演化提高了应变速率,是合金高温蠕变较后期间的变形和损伤特征。其中,合金在1140℃寿命的大幅度降低,归因于γ′相的溶解使其尺寸减小和体积分数降低。     

一种含4.5%Re/3.0%Ru的单晶镍基合金的高温蠕变行为

通过对含4.5%Re/3.0%Ru单晶镍基合金进行高温蠕变性能测试,并采用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)对不同蠕变期间的试样进行组织形貌观察,研究了该合金的高温蠕变行为。结果表明,本实验所选用的单晶合金在高温蠕变期间具有良好的蠕变抗力,在1040℃/160MPa的蠕变寿命达到725h。高温蠕变初期,合金中γ′相沿垂直于应力轴方向转变成筏状结构,其稳态蠕变期间的变形机制是位错在基体中滑移和攀移越过筏状γ′相。高温蠕变后期,合金的变形机制是位错在基体中滑移和剪切筏状γ′相。位错的交替滑移使筏形γ′相扭曲,并在γ/γ′两相界面发生裂纹的萌生与扩展直至断裂,是合金在高温蠕变后期的断裂机制。     

单晶高温合金蠕变行为研究现状

综述了国内外单晶高温合金蠕变行为研究现状,分析了蠕变行为中γ′相定向粗化机理、蠕变各向异性和蠕变过程中位错演化问题,探讨了单晶高温合金蠕变行为的研究方向.     

Ni基单晶高温合金的强化特点

本文研究一种在热腐蚀环境下工作的 Ni 基单晶高温合金错配度以及γ′筏状形成与性能的关系;通过蠕变和持久试验,研究合金的变形组织和强化特点。在变形过程中,基体运动位错遇γ′相受阻而在γ′相表面形成位错网络,这种位错结构在变形中形成了新的强化机制,提高了合金的蠕变抗力。     

一种镍基单晶合金高温蠕变期间的变形特征及元素分布

通过对一种6％Re/5％Ru镍基单晶合金进行高温蠕变性能测试、组织形貌观察及三维原子探针成分分析,研究了合金高温蠕变前后的元素分布及蠕变过程中的变形特征.结果表明,完全热处理后Al和Ta元素主要分布在合金的γ'相中.合金在1120℃/165 MPa条件下蠕变断裂后,元素在γ/γ'两相的分布发生改变,其中,Al、Ta、Cr和Co因为氧化作用导致在γ/γ'两相中的浓度均降低.此外,一部分Re、Ru、W和Mo原子富集于γ/γ'相过渡区域附近的γ基体一侧,可引起晶格畸变,增加位错运动的阻力,延缓位错剪切进入γ'相,是含Re/Ru合金具有较好高温蠕变抗力的原因之一.蠕变后期,切入相的位错可由{111}面交滑移至{100}面形成K-W锁,其保留的高数量K-W位错锁可抑制位错滑移和交滑移,是合金有较好蠕变抗力的原因之一.     

一种4.5%Re镍基单晶合金在980℃蠕变期间的变形与损伤机制

通过蠕变性能测试和组织形貌观察,研究了一种Re含量为4.5%Re(质量分数,下同)的镍基单晶合金的高温蠕变行为、变形和损伤机制。结果表明,4.5%Re合金在980℃/300MPa的蠕变寿命为169h。蠕变初期,合金中立方γ′相转变为垂直于应力轴的N型筏状结构。稳态蠕变期间,合金的变形机制为位错在基体中滑移和攀移越过筏状γ′相。蠕变后期,合金的变形机制为位错在基体中滑移和剪切进入筏状γ′相。由于γ基体通道较窄,位错在基体通道中滑移所需的阻力较大。剪切进入γ′相的110超位错可由{111}面交滑移至{100}面,形成K-W锁,从而抑制位错的滑移和交滑移,这是合金具有较好蠕变抗力的主要原因。主/次滑移位错的交替开动,可致使筏状γ′相扭曲,并促使裂纹在筏状γ/γ′两相界面萌生;裂纹沿垂直于应力轴方向扩展,直至断裂,这是合金的蠕变断裂机制。     

[110]取向DD3镍基单晶合金的组织结构及蠕变行为

通过蠕变曲线的测定及微观组织观察,研究了[110]取向镍基单晶合金的组织结构与蠕变行为。结果表明,经完全热处理后,合金中立方γ′相沿〈100〉取向规则排列;蠕变期间合金中形成筏状γ′相的取向与应力轴方向成45°角,蠕变后期在近断口区域筏状γ′相发生扭折。在1040℃、137MPa条件下,合金在稳态蠕变期间具有较高的应变速率和较短的蠕变寿命,而蠕变期间的变形特征是位错在γ基体通道中滑移和剪切筏状γ′相;其中,γ′相形成筏状结构后,沿与应力轴成45°角的基体通道承受最大剪切应力,使蠕变位错易于在基体通道中滑移,是使合金具有较大应变速率的主要原因。     

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。     

一种含Re单晶镍基合金的蠕变行为

通过组织形貌观察及蠕变曲线测定,研究了一种含Re镍基单晶合金的高温蠕变行为.结果表明,4.2％Re单晶合金在1060～1100℃温度区间具有较好的承温能力,但表现出较强的施加应力敏感性.经高温蠕变断裂后,在试样不同区域γ'相具有不同的组织形貌,在远离断口区域γ'相形成的筏状组织与施加应力轴方向垂直,而在近断口区域,筏状γ'相的粗化及扭曲程度增加为该区域发生较大塑性变形所致.在蠕变后期,合金的变形机制是迹线方向为[011]和[011]的滑移位错切入筏状γ'相,主次滑移系交替开动,使筏状γ '相发生扭折形成不规则的扭曲形态,直至发生断裂是合金的蠕变断裂机制.     

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。     

Ni3Al基高温合金不同温度下变形组织的透射电镜观察

本文利用透射电镜对Ni_3Al基高温合金的初始状态、室温和870℃下瞬时拉伸和1100℃持久蠕变试样的微观组织及位错组态进行了观察。结果表明:合金在γ/γ′界面上存在大量网络化的错配位错,这些位错在变形时对基体γ′中的位错运动起强烈的阻碍作用;在1100℃持久蠕变过程中合金组织发生显著变化,γ相聚集回溶成高位错密度的胞状组织,对合金仍起强化作用。γ相是合金的强化相。     

一种含4.2%Re单晶镍基合金的蠕变行为与组织演化规律

通过蠕变曲线测定及组织形貌观察,研究了一种含4.2%Re镍基单晶合金的蠕变行为和组织演化规律。结果表明:单晶合金在试验的温度和应力范围内,对施加应力和温度有明显的敏感性,并测算出合金在稳态蠕变期间的激活能和应力指数。在蠕变初期,合金中γ′相沿垂直于应力轴方向形成N-型筏状结构,蠕变断裂后在远离断口区域形成的筏状γ′相逐渐转变成扭曲形态,在近断口区域的筏状组织转变成与施加应力轴方向呈近45°角度倾斜。合金在稳态蠕变期间的变形机制是位错攀移越过γ′相,位错的攀移通过割阶沿位错线运动而逐步实现;而在蠕变后期,合金的变形机制是位错剪切筏状γ′相。     

单晶镍基合金中γ,γ′两相的晶格常数及影响因素

通过对单晶镍基合金的组织形貌观察和XRD谱线分析,研究了元素铼对单晶合金晶格常数及错配度的影响。结果表明:2%Re镍基单晶合金经完全热处理后,其组织结构是由尺寸约为350～400nm的立方γ′相以共格方式嵌镶在γ基体相所组成;在γ,γ′两相镍基合金的XRD谱线中,衍射峰不对称的原因是由于γ,γ′两相衍射峰叠加所致。对不同合金在不同条件下XRD分离谱线的的分析表明,随元素Re含量增加,合金中γ,γ′两相在室温的晶格常数略有增大,而晶格错配度的绝对值减小。随温度提高,合金中γ,γ′两相的晶格常数及晶格错配度的绝对值增大,并进一步测算出合金中γ,γ′两相在不同温度区间的热膨胀系数。     

单晶高温合金的高温蠕变断裂

研究了ＮＡＳＡＩＲ１００单晶在铸态以及热处理的的组织及高温持久寿命。发现γ／γ＇共晶、富Ｗ相、显微疏松以及γ－γ＇等相界面处是形成蠕变空穴的场所。单晶合金的高温持久断裂过程是：蠕变空穴在温度和应力的联合作用下长大为韧窝，并通过撕裂棱连接起来。     

抽拉速率对一种镍基单晶高温合金凝固参数和凝固组织的影响

研究了不同的铸型抽拉速率对镍基单晶高温合金DD98的凝固参数及显微组织的影响，结果表明，随着抽拉速度降低，固－液界面前沿的温度梯度显著提高，糊状区宽度减小，抽位速度较低时，温度梯度在整个凝固过程中变化比较平稳，提高抽拉速率使DD98合金由胞状凝固转变为枝状凝固，γ′相尺寸减小，并且由不规则形状逐渐变为规则的立方体形状，γ／γ′共晶量增加，共晶中的初生γ′相尺寸逐渐减小。     

抽拉速率对DD6单晶高温合金组织的影响

采用不同的抽拉工艺制备DD6单晶合金,分析了DD6单晶合金的显微组织,研究了不同抽拉工艺对DD6合金组织的影响.结果表明,随着抽拉速率的降低,DD6合金一次枝晶间距增加,枝晶干和枝晶间γ′相尺寸变大,共晶组织呈粗化趋势,γ-γ′共晶组织含量减少,合金中主要元素偏析程度减轻.     

热处理工艺对SRR99镍基单晶高温合金组织和性能的影响

研究不同固溶处理温度和时效处理温度对SRR99镍基单晶高温合金的微观组织和持久性能的影响。利用扫描电镜和光学金相显微镜对显微组织进行表征和分析,利用GWT304常载拉伸蠕变试验机测试其持久性能。结果表明:随着一次时效温度的提高,二次γ′相尺寸逐渐增大,γ′相体积分数先增加后降低;随着固溶温度的提高,合金中残余共晶含量减少,偏析逐渐降低,在1050℃/150MPa条件下,合金的持久寿命呈现先增加后降低的趋势。     

二次γ′相演化对DD6单晶高温合金蠕变性能的影响

采用FESEM和TEM研究二次γ′相演化对DD6单晶高温合金760℃/785 MPa和980℃/250 MPa蠕变性能的影响。结果表明：标准热处理的DD6合金经1120℃/4 h/AC处理，基体通道内析出二次γ′相。760℃/785 MPa蠕变时，基体通道内的二次γ′相在蠕变初期阻碍a/2〈011〉位错在基体通道内运动，促进{111}〈112〉滑移在一次γ′相开动，从而缩短孕育期时间，显著增加蠕变第一阶段应变和蠕变速率。980℃/250 MPa蠕变时，基体通道内的二次γ′相在蠕变初期快速回溶，二次γ′相对980℃/250 MPa蠕变行为基本没有影响。