镍基单晶高温合金的再结晶

镍基单晶高温合金作为先进发动机叶片的主要用材,其再结晶问题日益受到重视.本文综述了热处理温度、热处理时间、变形程度及合金成分等多种因素对镍基单晶高温合金再结晶的影响规律,分析了镍基单晶高温合金再结晶对其蠕变和疲劳性能的影响,并讨论了回复处理及浸蚀直接去除表面变形层、渗碳和表面涂层等控制再结晶的方法.最后,指出了镍基单晶...     

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。     

镍基单晶高温合金扩散阻挡层的研究进展

综述了镍基单晶高温合金扩散阻挡层的国内外研究进展。简要介绍了高温防护涂层/镍基单晶高温合金基体元素的互扩散现象,说明了扩散阻挡层的作用机理,阐述了扩散阻挡层的设计原则和要求,通过对比分析了各类扩散阻挡层的优缺点。最后对镍基单晶高温合金用扩散阻挡层的研究做出了展望。     

一种镍基单晶高温合金压缩变形的各向异性

将一种镍基单晶高温合金在室温沿不同晶体取向压缩变形,研究了在试样表面形成的滑移线和微观组织的变化。结果表明：这种合金〈111〉取向试样的屈服强度最高,〈001〉取向的强度最低,〈110〉取向的强度居中。〈001〉和〈110〉取向的试样在压缩变形过程中主要启动八面体滑移系,其中〈110〉取向明显观察到双滑移系的开动;而〈...     

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。     

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。     

高温镍基单晶合金NiCoCrAlYTa涂层的抗热腐蚀性能

以往,对高温镍基单晶合金上采用低压等离子喷涂制备的NiCoCrAlYTa涂层的热腐蚀性能研究较少.为此,采用低压等离子方法在镍基高温单晶合金上制备了NiCoCrAlYTa涂层,采用涂盐法研究了Na2SO4对试样在1 123 K空气中热腐蚀的影响,同时分析了NiCoCrAlYTa涂层的形貌及结构.结果表明:高温镍基单晶合金遭受了严重的热腐蚀,出现了内硫化和内氧化;NiCoCrAlYTa涂层由于表面生成了致密、保护性的Al2O3膜,以及涂层中Cr和Ta元素的作用而表现出优异的抗热腐蚀性能.结果证实,NiCoCrAlYTa涂层可以很好地提高单晶合金的抗热腐蚀性能.     

CMSX-3单晶合金的微观组织研究

镍基单晶高温合金是重要的航空燃气轮机涡轮叶片材料。本文利用光学金相、SEMTEM等分析手段研究了采用定向凝固造晶法制造的CMSX－3单晶合金的微观组织。对其铸态组织与γ＇形态做了描述与分析。     

镍基单晶高温合金Larson-Miller曲线的预测

提出了一种预测镍基单晶高温合金Ｌａｒｓｏｎ－Ｍｉｌｌｅｒ曲线的新方法,应用于现有镍基单晶高温合金的Ｌａｒｓｏｎ－Ｍｉｌｌｅｒ曲线的预测。对预测的结果与试验结果进行了比较,证明该方法能够准确地预测镍基单晶高温合金的Ｌａｒｓｏｎ－Ｍｉｌｌｅｒ曲线。     

镍基单晶高温合金力学性能各向异性的研究进展

镍基单晶高温合金凭借优良的高温力学性能和组织稳定性而成为目前制造先进航空发动机和燃气轮机叶片的主要材料,其力学性能各向异性对涡轮叶片的服役性能和安全可靠性至关重要,受到叶片设计师和制造专家的高度重视。为了满足更严苛的使用要求,国内外都在不断研发新型的镍基单晶高温合金来提升叶片承温能力,但是对新型合金力学性能各向异性的研究还不是很全面,对新添加元素的作用机理也有待进一步的研究。近些年来,国内外相关研究表明,镍基单晶高温合金力学性能各向异性与温度、应力等因素有关,不同的单晶合金表现出不同的规律。镍基单晶高温合金的拉伸性能具有明显的各向异性,随着温度的升高,其原子扩散能力增强,开动滑移系的数量增多,拉伸性能的各向异性减弱。随着合金成分中难熔元素含量的增加,滑移系的位错交截概率或变形协调性发生变化,合金表现出不同的拉伸性能各向异性。在中温高应力条件下,合金蠕变性能存在显著的各向异性。随着应力的升高,[001]取向的蠕变性能显著降低,[111]取向变化较小,这与应力变化对滑移系数量的影响有关。随着难熔元素含量的增加,合金不同取向滑移系的开动和层错的形成更容易,从而影响蠕变性能的各向异性。在高温低...     

定向结晶时高温合金组织控制的工艺前景EI

报道了俄国航空材料研究院(ВИАМ)在定向单晶高温合金组织控制方面的最新研究成果,例如,利用高速定向结晶工艺创造具有单晶组织的宽弦叶片,以及制造前后缘为规定位相的单晶,而在叶身中部为细柱状定向结晶组织的复合组织叶片。这些新工艺提高了材料的工作能力和发动机寿命。     

Thermomechanical fatigue failure investigation on a single crystal nickel superalloy turbine blade

A thermomechanical fatigue (TMF) test rig was developed consisting of the loading, heating, synchronizing, cooling and monitoring systems. Moreover, the specimen was particularly designed to provide adequate load-bearing capability at the blade tip in order to simulate the actual turbine blade loads in laboratory. TMF test on a single crystal nickel superalloy turbine blade was conducted. Then the specimen was segmented in a novel way to preserve the crack surface to investigate the TMF mechanism of the turbine blade. Visual examination together with the metallographic analysis indicated that the most severe TMF damage occurred at the pin-fin fillet on the suction side near the trailing edge. Furthermore, finite element simulation results were compared to the experiment, in which a viscoplastic constitutive model was employed.     

镍基单晶高温合金杂晶缺陷的研究进展

随着单晶涡轮叶片结构的不断优化和高温合金中难熔元素添加量的增大,镍基高温合金单晶叶片在凝固过程中更易出现杂晶、条纹晶、枝晶碎臂、小角度晶界等缺陷。其中,杂晶是单晶叶片制备过程中最常见的一类凝固缺陷,严重影响单晶叶片的成品率。为了减少该类凝固缺陷的产生,提高叶片的成品率,研究镍基单晶高温合金杂晶缺陷的形成机制、影响因素及其控制措施,对提高单晶叶片的服役性能具有重要意义。因此,关于定向凝固过程中杂晶缺陷的形成机制、影响因素及其控制措施的研究,引起了国内外研究者的广泛关注。本文综述了单晶叶片的制备技术,分析了籽晶法和选晶法制备单晶叶片过程中不同位置杂晶的形成机理,分别讨论了选晶段杂晶、籽晶回熔区杂晶、缘板杂晶的影响因素和控制措施,并对未来的研究方向进行了展望。     

Analysis of surface quality of multi-film cooling holes in nickel-based single crystal superalloy

The effect of the surface quality of multi-film cooling holes processed by laser drilling (LD) and electrical discharge machining (EDM) on the mechanical properties of blades have been studied. The physical features of the cooling holes, including the diameter, conicity and shape of the holes, are measured by optical microscopy, demonstrating that the EDM process is not as accurate as the LD process. Meanwhile, metallurgical characteristics, including the recast layer, heat affected zone and micro-cracking within the surface layer, are analysed by scanning electron microscopy, demonstrating that the radial crack generated in the LD process is more dangerous than the circumferential cracks generated in the EDM process. Using finite element analysis (FEA), the single crystal superalloy specimens with multi-film holes are simulated based on the crystal plasticity theory, showing that a significant increase of the stress gradient is observed in a real hole model than in an ideal circular hole model, which means that a shape simplification in the blade design will reduce the reliability of the blade. Based on the findings above, the influence of the surface quality of holes is investigated to obtain the possible damages to nickel single crystal turbine blades.     

Investigation on low cycle fatigue of nickel‐based single crystal turbine blade in different regions

Low cycle fatigue experiments of nickel‐based single crystal superalloy miniature specimens were carried out at 760 °C/1000 MPa and 980 °C/750 MPa. According to testing results, low cycle fatigue life is dependent on sampling position of turbine blade under same test conditions. Fracture surface morphology and longitudinal profile microstructure indicated that the fracture mechanism transformed from cleavage fracture to ductile fracture with the changing of medium temperature to high temperature due to the particle cutting at yield stress intensity. The scanning electron microscopy observation of original material demonstrated that the smaller precipitate size of samples have a shorter fatigue life. Meanwhile, the constitutive model considering size effect was built based on the crystal plastic theory. The finite element analysis demonstrated that the smaller precipitate size could dramatically reduce the plastic deformation suffering the same cycle loading.     

图像测量标定法及其应用

论述了图像测量标定法，并将其用于镍基单晶高温合金DD3的热机械疲劳断口结晶学小面取向的测定，发现断口结晶学小面取向为（111）时，材料具有较高的热机械疲劳寿命，而结晶学小面取向为（001）时，材料的热机械疲劳寿命较低。     

DD3单晶合金对开叶片TLP扩散焊工艺探索研究

以我国第一代镍基单晶高温合金DD3为研究对象，采用为DD3合金配制的非晶态箔状中间层合金D1F，对DD3合金瞬间过渡液相扩散焊(TLP扩散焊)接头组织与性能进行了分析，接头高温持久性能达母材性能指标的90％。同时对DD3单晶合金对开叶片扩散焊可行性进行了探索。     

Failure analysis of two sets of aircraft blades

This paper describes the methodology employed for the failure analysis of aircraft blades and its application to two premature failed sets. The first one corresponds to the high pressure compressor manufactured in a 718 nickel base superalloy. The failure analysis carried out on this blade points towards foreign object damage (FOD). The second set belongs to the high pressure turbine of another engine. Scanning electron microscopy attributes the first fail to the premature failure by a thermo-mechanical fatigue mechanism of one blade with an inadequate microstructure. The remaining blades of this set, which possess a correct microstructure, failed due to the impacts of the debris generated by the fracture of the first one.