镍基单晶合金CMSX-2高温蠕变后的显微组织及合金元素分布特征

对单晶合金CMSX－2在1000℃下分别进行了载荷为95，120，165和216MPa的拉伸蠕变实验，在SEM下观察了合金试样枝晶干的枝晶间区域中γ′相的形态，有EDS方法分析了上述枝晶区域中合金元素的分布特点，对枝晶干和枝晶间区域中γ′形成元素Al,Ti,Ta的原子分数与基体固溶元素Cr,Co,W的原子分数的比值（CA1＋CTi CTa)/(Ccr CCo Cw)和同一元素在枝晶与在枝晶干中的原子分数比（Ci/Cc)Ta,Cr,Co,W以及共格错配度的变化对γ′相粗化程度和筏形化形态的影响分别进行了讨论。     

Ni基单晶高温合金原树枝状晶结构典型区域γ和γ'相成分的测算

导出了高温合金γ和γ＇相的元素分配比和分配系数以 ＣＭＳＸ－２合金为研究对象,用 ＥＤＡＸ区域扫描测得热处理后未变形试样和经持久变形至断裂试样原树枝状晶三个典型区域（枝晶干、枝晶臂和枝晶间）的成分,使用分配系数法计算了各区域中γ和γ＇相的成分．分析了各区相成分分布的特点及其与合金持久寿命的对应关系     

一种镍基单晶合金长期时效过程中γ'相的粗化行为

研究了一种新型镍基单晶高温合金长期时效过程中γ'相形貌的变化。结果表明,在950、1 000、1 050℃下时效0~1 500 h时,γ'相形态从最初的立方体形貌逐渐演化形成了不规则的条形、L形、迷宫形等。时效过程中,枝晶间γ'相的粗化速率明显高于枝晶干处的粗化速率。随时效温度地提高,γ'相的粗化速率加快。枝晶干处与枝晶间区域γ/γ'相界面共格应变能的差异是枝晶间与枝晶干区域γ'相粗化程度存在差异的主要原因。枝晶干处γ'相的粗化激活能与枝晶间处γ'相的粗化激活能分别为451 kJ·mol-1和345 kJ·mol-1。     

Re、Ru对镍基单晶合金元素偏析行为的影响

通过设计并制备出四种Re、Ru含量不同的镍基单晶合金,通过组织形貌观察及浓度测量,研究了元素Re、Ru对铸态镍基单晶合金成分偏析行为的影响。结果表明,Ru主要富集于枝晶间区域,并提高Al、Ta等γ'相形成元素在枝晶干区域的偏析程度,使其他元素在枝晶间区域的偏析程度增加。Re强烈偏析于枝晶干区域,可促进枝晶形核并增加枝晶数量。凝固期间,高熔点的Re、W等元素与基体Ni优先凝固,发生液固转变,形成枝晶组织。由于Re阻碍Ni、Al、Ta等原子发生有序化排列,导致Al、Ta等γ'相构成元素在枝晶干区域的浓度降低,致使枝晶间区域Ni、Al、Ta等元素的浓度增加,最终形成大量共晶组织,是铸态含Re合金共晶组织数量较多、尺寸较大,及含Re合金中Al元素主要偏析于枝晶间区域的主要原因。     

固溶温度对一种定向凝固镍基合金中温蠕变性能的影响

通过对一种定向凝固合金进行不同温度的固溶处理、蠕变性能测试及组织形貌观察,研究了固溶温度对枝晶臂/间区域的成分偏析及持久性能的影响。结果表明:经1230℃固溶及时效处理后,合金在枝晶干/间区域存在明显的成分偏析和组织不均匀性,粗大γ'相存在于枝晶间区域,细小γ'相存在于枝晶干区域,碳化物呈条状分布在枝晶间区域。合金经1260℃固溶及时效处理后,可明显降低合金中元素的偏析程度,并消除了合金在枝晶间区域存在中的粗大γ'相,使高体积分数细小立方γ'相均匀分布在枝晶间和枝晶干区域,并有细小粒状碳化物沿晶界析出,抑制晶界滑移,因此,可大幅度改善合金的中温蠕变性能。合金在中温蠕变期间的变形特征是位错在基体中滑移和剪切γ'相,并在γ'/γ两相界面形成位错网。蠕变后期,由于沿与应力轴呈45!角的晶界承受载荷的最大剪切应力,故裂纹易于在与应力轴呈45!角的倾斜晶界处萌生与扩展。     

Ni基单晶高温合金CMSX—2树枝晶结构错配度变化的测算

用元素分配比计算了CMSX－2合金树枝状晶各典型区域（枝晶、枝晶臂及枝晶间）γ和γ′的相成分，用Wantanabe公式求得相应区域γ和γ′的点阵常数，由此算得各区域所对应的室温错配度，用Link关于温度与应力综合作用对错配度影响的公式计算了持久变形过程的错配度。解释了该合金在室温无外应力至高温＋外应力作用时错配度符号及大小的变化，枝晶各区域错配度的变化与各区域分的变化和各区、各相中Ta／W比以及显微硬度（HV）的变化有显著对应,支晶各区域成分变化引起的错配度及其速率的变化幅度直接影响试样的持久寿命。     

镍基单晶合金热处理过程中的组织演变

利用螺旋选晶法制备了镍基单晶合金,研究了热处理过程中合金的组织演变。结果表明:合金的铸态组织由枝晶组成,W偏析于枝晶干,Ti、Cr、Mo和Ta偏析于枝晶间,固溶处理可以消除铸态组织中的枝晶,减小成分偏析,固溶温度越高,粗大的γ’和γ/γ’共晶溶解的越完全。时效处理过程中,大尺寸的γ’发生粗化,小尺寸的γ’逐渐消失,时效温度越高,γ’粗化得越严重。热处理促进合金元素在γ和γ’中的均匀分布,减小了合金的错配度。     

Ni基单晶高温合金原树枝状晶结构典型区域γ和γ′相成分的测算

导出了高温合金γ和γ′相的元素分配比和分配系数,以CMSX-2合金为研究对象,用EDAX区域扫描测得热处理后未变形试样和经持久变形至断裂试样原树枝状晶三个典型区域（枝晶干、枝晶臂和枝晶间）的成分,使用分配系数法计算了各区域中γ和γ′相的成分,分析了各区成分分布的特点及其与合金持久寿命的对应关系。     

DZ125镍基合金蠕变期间的组织演化与元素扩散迁移率

通过蠕变性能测试及组织形貌观察,结合元素扩散迁移率计算,研究DZ125合金在1 040℃蠕变期间的组织演化规律。结果表明:高温蠕变期间,合金在枝晶间/干区域发生不均匀的组织演化,枝晶间区域形成的筏状γ′相尺寸粗大,而枝晶干区域γ′相沿(001)晶面形成细小的N-型筛网状筏形结构,且γ基体相连续充填在筛网状γ′相之间,可保证合金的高塑性。在1 040℃、137 MPa蠕变期间,合金枝晶干区域的γ′相经3 h转变成筏状结构,随施加应力的降低,γ′相发生筏形化转变的时间延长;其中,Al、Ta具有较高扩散迁移率是促使合金发生较快筏形化转变的主要原因。     

铸态稀土铝合金中元素分布与枝晶偏析

本文研究了稀土对铝合金中不同合金元素的分布和枝晶偏析的影响。研究表明，当合金中稀土加入量较少时，合金中的稀土没有富集现象；当加入量较多时，合金中的稀土主要与合金元素作用形成化合物。稀土的加入增加了与工业纯铝中杂质元素、Ａ１－Ｃｕ和Ａ１－Ｃｕ－Ｌｉ合金中Ｃｕ等元素形成化合物的趋势和能力，增大了这类元素的枝晶偏析；减少了Ａ１－Ｚｎ－Ｍｇ合金基体中Ｚｎ、Ｍｇ等合金元素形成化合物的趋势和能力，而对其枝晶偏     

型壳保温温度对DD98单晶合金组织和性能的影响

研究了不同的型壳保温温度对一种铸造单晶高温合金DD98铸态组织、热处理组织和持久性能的影响。结果表明，随着上下区型壳保温温度的升高，固液界面前沿的温度梯度增大，而糊状区的宽度减小。铸态下，随着上下区型壳保温温度的升高，其一次和二次枝晶间距均减小，枝晶间和枝晶干上的γ’尺寸差别减小，并且枝晶间的γ’形状也逐渐变得规则，合金的显微偏析程度降低。热处理后，高的型壳保温温度可获得尺寸细小的γ’和较少的残留共晶。合金的持久寿命随着型壳保温温度的升高而增加，但相应的持久延伸率降低。     

高温度梯度定向凝固冷却速率对DZ4125合金γ′相的影响

研究了高温度梯度定向凝固条件下冷却速率对DZ4125合金中γ′相形态、分布和尺寸的影响.结果发现,随着冷却速率的增大,合金的枝晶逐渐细化.当冷却速率达到36.4 K/s时,合金的凝固组织由粗枝晶变为超细枝晶.在此过程中,γ′相从立方形逐渐球形化,且枝晶干γ′相的球化速度比枝晶间的γ′相球化速度快.同时,枝晶干和枝晶间γ′相尺寸逐渐减小,枝晶干和枝晶间γ′相的均匀化程度增加.枝晶间γ′相比枝晶干γ′相的尺寸大,这种差别随冷却速率的增大而减小.造成γ′相在形貌和尺寸上变化的根本原因是冷却速率的变化引起γ固溶体中溶质的过饱和度ΔX,过饱和γ固溶体的过冷度ΔT,γ′相脱溶析出的临界形核功ΔG~＊和溶质在γ固溶体中扩散系数D的改变.     

高温度梯度定向凝固冷却速率对DZ4125合金γ'相的影响

研究了高温度梯度定向凝固条件下冷却速率对DZ4125合金中γ'相形态、分布和尺寸的影响.结果发现,随着冷却速率的增大,合金的枝晶逐渐细化.当冷却速率达到36.4 K/s时,合金的凝固组织由粗枝晶变为超细枝晶.在此过程中,γ'相从立方形逐渐球形化,且枝晶干γ'相的球化速度比枝晶间的γ'相球化速度快.同时,枝晶干和枝晶间γ'相尺寸逐渐减小,枝晶干和枝晶间γ'相的均匀化程度增加.枝晶间γ'相比枝晶干γ'相的尺寸大,这种差别随冷却速率的增大而减小.造成γ'相在形貌和尺寸上变化的根本原因是冷却速率的变化引起γ固溶体中溶质的过饱和度ΔX,过饱和γ固溶体的过冷度ΔT,γ'相脱溶析出的临界形核功ΔG*和溶质在γ固溶体中扩散系数D的改变.     

CMSX-2合金位错组态与凝固组织的关系

对CMSX 2合金粗枝晶、细枝晶以及超细枝晶单晶持久变形后的位错组态进行了研究。结果表明 :超细枝晶单晶持久变形过程中在γ/γ′相界上形成的位错网络比粗枝晶单晶的均匀 ;γ相内部形成的位错密度减小 ,分布也更加均匀 ,多位错滑移程度降低 ;切过γ′的位错明显减少 ,反映出高温下合金抵抗蠕变变形的能力提高。     

DD6单晶高温合金初熔组织演变机制研究

分析第二代单晶高温合金DD6在略高于固溶热处理窗口的温度1 330 ℃下保温的初熔组织演变。结果表明:保温0.5 h后，枝晶间发生明显初熔，并大量形成典型初熔组织，部分初熔组织中心形成显微孔洞；随保温时间延长，初熔逐渐消退并演变为正常合金组织；保温8 h后，初熔组织完全消失，仅留下初熔形成的微孔。应用热力学、动力学计算分析试验结果可知:DD6合金在铸态下枝晶偏析显著，枝晶间固相线温度明显低于枝晶干，在略高于枝晶间固相线的温度下保温，初始阶段枝晶间发生初熔；继续保温，元素均匀化程度改善，枝晶间固相线温度升高，初熔组织逐渐消退，最终演变为正常合金组织。     

CMSX-2合金组织细化对γ′定向粗化行为的作用研究

对枝晶间距不同的CMSX 2单晶高温合金的持久性能及γ′定向粗化行为进行了研究 ,结果表明 ,随着凝固组织细化 ,合金的持久寿命显著提高。其原因在于 ,凝固组织细化明显影响持久变形过程中γ′的定向粗化行为 ,通过提高筏型组织形成的均匀性、完善程度和稳定性可实现提高合金的持久性能     

抽拉速率对含Ru镍基单晶高温合金凝固组织的影响

研究了不同抽拉速率对含Ru镍基单晶高温合金凝固组织的影响.结果表明,随着抽拉速率的加快,单晶合金的铸态组织由粗枝状晶向细枝状晶演变,枝晶干和枝晶间的γ′相尺寸减少,合金元素的偏析降低,γ-γ'共晶含量减少,NiAl基β相含量逐渐降低.同时,抽拉速率对合金的相变温度影响不大.     

含Ru镍基单晶高温合金显微组织和持久性能研究

采用扫描电子显微镜、电子探针和持久性能测试等手段,研究了一种含Ru镍基单晶高温合金的显微组织、偏析行为和持久性能。结果表明,铸态下,Re、W和Ta、Al分别强烈偏析于枝晶干和枝晶间,而Ru及其他元素分布趋于均匀。标准热处理后,合金枝晶干处的γ′相均呈立方状,体积分数和尺寸为63%和0.48μm。合金在980℃/250 MPa、1 100℃/140 MPa和1 120℃/135 MPa条件下的持久寿命分别是364 h、125 h、78 h。长期热处理后,γ′相发生长大粗化,至500 h,发生筏排,但未析出TCP相,表明合金具有较好的组织稳定性;至300 h,合金在1 120℃/135 MPa条件下的持久寿命降至56 h。     

Ti含量对一种镍基单晶合金组织和持久性能的影响

研究了3种不同含Ti量单晶高温合金的铸态、热处理态组织及持久性能。结果表明：Ti含量对合金的微观组织和持久性能都有明显的影响。随着钛含量的增加，铸态合金枝晶间区域的共晶尺寸和含量明显增大、增多，枝晶间区域的面积也逐渐增大。热处理后，3种合金的枝晶干处的γ′相形态基本一致，都为规则的立方体γ′相，尺寸大约为400nm-500nm。随着钛含量的增加，合金的持久寿命略有降低，延伸率略有增加。     

固溶温度对单晶镍基合金成分偏析和蠕变行为的影响

通过对不同温度固溶处理合金枝晶干/间区域进行成分分析、蠕变性能测试及组织形貌观察,研究固溶温度对一种无Re单晶镍基合金成分偏析和蠕变行为的影响。结果表明:经不同温度固溶处理后,合金中枝晶干/间区域具有不同的偏析程度,随固溶温度提高,元素偏析程度降低,可明显提高合金的蠕变抗力和延长蠕变寿命。800℃蠕变期间,合金中γ′相仅形成串状结构,未形成完全筏状组织。合金在中温蠕变期间的变形机制是位错在基体中滑移和剪切γ′相,其中,在基体中发生大量位错的单取向、双取向滑移,可产生形变硬化作用,阻碍位错运动,加之γ′/γ两相共格界面的应力场作用,可抑制位错剪切进入γ′相,是使合金在稳态蠕变期间保持较低应变速率的主要原因。