Mo对镍基单晶高温合金组织及持久性能的影响

通过在不含Mo的基础合金USTB-F7中添加1.5%(质量分数)Mo,形成合金USTB-F9,研究Mo对镍基单晶高温合金组织稳定性和持久寿命的影响。1 100℃时效与热处理组织的研究分析表明:合金USTB-F7中γ′相形貌介于球形和立方形之间,属中间态形貌;经长期热处理2 000 h后,其形貌保持稳定,仅发生粗化而未产生筏排现象。Mo的添加使γ相中Re、Mo和Cr等元素含量增加,提高了合金USTB-F9的γ/γ′点阵错配度和γ′相的立方度,从而加速长期热处理过程中的筏排化进程,仅200 h就发生明显的筏排现象。同时,Mo强烈促进富含Re、Mo、W和Cr等元素的P相和σ相的析出,使析出时间由合金USTB-F7的700 h提前到合金USTB-F9的100 h。在1 100℃和140 MPa下的持久性能测试表明,尽管Mo的添加提高了γ′相的体积分数和错配度,并促进筏排组织的形成,有利于合金持久性能的提高;但由于Mo促进TCP相的大量析出,从而使合金的持久寿命降低。     

Ru对镍基单晶高温合金高温持久性能的影响(英文)

在真空定向炉中浇注了具有[001]方向的不含Ru和含Ru两个单晶高温合金,其它合金元素的含量基本相同,研究Ru对单晶高温合金在(980℃,250 MPa),(1100℃,140 MPa)和(1120℃,140 MPa)条件下持久性能的影响。结果表明,加入Ru能提高单晶高温合金的高温持久性能,提高作用随着温度的升高而降低。在断裂后的两种合金试样中都观察到γ′相定向粗化和筏排化,并且在(1100℃,140 MPa)和(1120℃,140 MPa)条件试样中有针状的TCP相析出,而在(980 ℃,250 MPa)条件试样中无TCP相析出。加入Ru减少了TCP相的析出数量。最后,讨论了加入Ru带来的合金组织变化进而提高合金持久性能的原因。     

Ru对镍基单晶高温合金微观组织的影响

为了提高镍基单晶高温合金的高温强度和其他综合性能,第四代合金中加入了铂族元素Ru。Ru的加入降低了γ相的堆垛层错能,减少了γ＇相的体积分数。作为一种有效的固溶强化元素,Ru对γ相和γ＇相的强化均起到了很显著的作用,提高了合金的蠕变性能,同时Ru也影响了难熔元素在合金中的偏析行为,降低了难熔元素在γ相中的过饱和度,并能抑制TCP相等有害相的析出,显著提高了合金的抗蠕变性能和合金显微组织的稳定性。综合分析了Ru的加入对镍基单晶高温合金微观组织结构的影响。     

Al、Ti、Ta对镍基单晶高温合金组织和性能的影响

利用ISP 05 DS/SC定向单晶炉拉制单晶试棒,研究了Al、Ti、Ta含量对镍基高温合金组织和性能的影响.研究结果表明,铸态组织中Al、Ti、Ta主要分布于γ'相中.Al、Ti、Ta含量的提高可以提高Co、Cr、Mo在γ基体中的溶解度,同时,随着Al、Ti、Ta含量的提高,合金的固溶温度提高,错配度增大,γ'增强相的形貌也由椭球形转为方形.高温持久试验结果表明,Al、Ti、Ta含量的增加可以提高合金的持久寿命.     

Ru和Cr对镍基单晶高温合金γ/γ′热处理组织演变的影响

通过对6种不同Ru(0—5.1%,质量分数,下同)和Cr(0—5.7%)含量的镍基单晶高温合金1100℃的时效和热处理组织观察与γ/γ′两相的成分分析,研究了Ru和Cr的独立和交互作用对合金元素成分分配比及热处理组织演变的影响.经1100℃/8 h时效后,在枝晶干处,不含Ru和Cr的基础合金γ′相接近球形,Re在该合金γ/γ′两相中的成分分配比较低,错配度接近于0.在基础合金中加入高Ru后,γ′相立方度和Re的成分分配比略有增大,错配度变负;在不含Ru合金与含Ru合金中,随着Cr含量的增大,γ′相的立方度和Re的成分分配比均显著增大,错配度明显变负.1100℃非加载下的长期热处理研究表明:γ′相接近球形且错配度接近于0的合金γ′相形貌稳定,在2000 h内只出现了粗化,没有发生筏排化现象;γ′相呈中间态并且错配度较小的合金γ′相粗化趋势较为明显;γ′相接近立方体形且错配度中等的合金在热处理800 h后形成近似筏排组织;同时加入Ru和Cr,随着Re的成分分配比和错配度的增大,γ′相为立方体形或长方体形的合金筏排化时间提前;其中高Ru中Cr合金热处理200 h就出现筏排化趋势,而错配度最高的高Ru高Cr合金热处理...     

钴、钨和钛对镍基单晶高温合金持久性能的影响

采用正交实验设计方法，探讨了Co，W和Ti及其含量对镍基单晶高温合金持久性能的影响，通过数学分析，对合金成分进行了优化。结果表明：此合金系中Ti含量对持久寿命影响最大，Co次之，W对持久寿命影响最小；当Co，W和Ti含量（ω，％）分别为10，8和0时合金具有较好的持久性能。此合金长期时效后还显示出良好的组织稳定性。     

一种含Ru镍基单晶高温合金的组织特征

对一种含3%Ru(质量分数,下同)的第四代镍基单晶高温合金的热处理态组织中的γ′相尺寸及分布情况、亚晶及嵌镶结构、γ/γ′两相点阵错配度、γ′相体积分数等进行了表征.X射线衍射实验结果表明,该合金不是一种完整的单晶合金,而是由许多相邻平均取向偏差为0.5°左右、最大取向偏差为3°左右的亚晶组成,亚晶存在亚晶界.每一个亚晶又是由大量的嵌镶结构组成,嵌镶结构之间的取向偏差为0.1°-0.2°.实验结果表明,这种合金的热处理态组织中存在明显的组织不均匀现象,呈枝晶状分布.该合金的平均γ′相尺寸为0.39μm,平均γ′相体积分数为69.5%,平均γ/γ′两相点阵错配度为-2.0×10~3.讨论了这种合金热处理态组织的演变规律.     

长期时效对一种镍基单晶高温合金组织演化及持久性能的影响

研究了长期时效对一种镍基单晶高温合金显微组织及持久性能的影响。结果表明:800℃时效1000h后,γ′相仍保持立方体形态;980℃时效1000h、1010℃时效500h后,γ′相逐渐连接形筏。980℃时效500h、1010℃时效100h后,μ相以针状和颗粒状形态逐渐析出,980℃时随时效时间延长,μ相逐渐增加,1010℃时随时效时间延长,μ相先增加后减少。800℃长期时效后合金的持久寿命变化不大,980,1010℃时随时效温度升高和时效时间延长,合金的持久寿命递减。     

热处理对镍基单晶高温合金微观组织和高温持久性能的影响

采用螺旋选晶法,制备了一种镍基单晶高温合金。在非真空箱式电阻炉中进行分级均匀化热处理,研究了热处理制度对合金显微组织及持久性能的影响。结果表明:合金的铸态组织由γ-Ni固溶体相、初生和次生的γ-′Ni3Al相、以及γ/γ′共晶相组成;1 305~1 310℃、16 h固溶处理后,次生γ′全部固溶,少量γ/γ′共晶没有完全固溶;1 315℃、16 h固溶处理后,γ/γ′共晶全部固溶;1 320℃、2 h固溶处理后,出现少量初熔;两次时效处理明显改变了γ′的尺寸、形貌及分布;合金经1 180℃、2 h 1 290℃、2 h 1 315℃、16 h AC 1 140℃、4 h AC 870℃、24 h AC完全热处理后,在1 100℃,137 MPa条件下持久寿命达到100 h。持久裂纹主要沿与拉应力垂直的枝晶间横向段萌生扩展,与γ/γ′共晶完全固溶状态相比,未固溶的γ/γ′共晶更容易成为主要裂纹源。     

Ru的添加对镍基单晶高温合金组织的影响

研究了添加Ru对镍基单晶高温合金铸态、热处理及长期时效组织的影响。结果表明：添加Ru导致合金的共晶含量、一次枝晶间距降低,固溶热处理困难。添加Ru后合金的层错能显著降低,?基体中出现的扩展位错会阻碍后续位错的运动,有助于提高合金力学性能。1100℃长期时效时,添Ru加对筏化过程影响不显著,未改变TCP相的主要析出类型,但显著抑制了TCP相的析出;随时效时间的延长（如超过500 h）,添加Ru对TCP相的抑制作用减弱。     

Role of Ru on the Microstructural Evolution During Long-Term Aging of Ni-Based Single Crystal Superalloys

Two experimental alloys containing different contents of Ru were investigated to study the effect of Ru on the microstructural evolution during long-term thermal exposure. The increase in Ru promoted the formation of cubical, tiny, and even γ′ phase after full heat treatment. Moreover, the samples after full heat treatment were exposed at 1100 °C for different time. Based on the classical model by Lifshitz, Slyozov, and Wagner, the coarsening of γ′ phase of the alloy containing 2.5 and 3.5 wt.% Ru during the long-term aging was controlled by the interface reaction and diffusion, respectively. The γ/γ′ lattice misfit was more negative with the increment of Ru addition, which induced the formation of stable rafted γ′ phase in the alloy containing 3.5 wt.% Ru at the initiation of long-term aging. Besides, the increase in Ru reduced the diffusion coefficient, which could restrain the γ′ phase coarsening. The lower γ/γ′ lattice misfit of the alloy containing 2.5 wt.% Ru promoted the interface reaction, which induced the rapid coarsening of γ′ phase. Therefore, the increase in Ru improved the microstructural stability of the alloys. On the other hand, the raise of Ru induced “reverse partitioning” behavior, which was effective in suppressing the emergence of the topologically close-packed phase (TCP phase). The TCP phase occasionally occurred in the alloy containing 2.5 wt.% Ru, which was attributed to the high temperature and the supersaturation of the γ matrix. Moreover, the TCP phase was determined as μ phase, which had a high concentration of Co, Re, Mo, and W. A sketch map describing the evolution of the TCP phase was also constructed.     

Mo和W在镍基单晶高温合金中的作用研究进展综述

镍基单晶高温合金因其优异的高温性能而广泛应用于航空发动机涡轮叶片的制备。经过几十年的发展,国外已发展至第六代镍基单晶高温合金,合金体系中的Re和Ru等贵重金属元素的含量也不断增加。贵重元素的添加导致合金的成本和密度上升,对合金的研制和批量商业化应用不利。Mo和W作为较低成本的强化元素,在镍基单晶高温合金中发挥了重要的作用。Mo 和W在镍基单晶高温合金中的作用已有较为广泛的研究,本文简单综述了Mo和W在镍基单晶高温合金中对微观结构,包括元素分布、γ/γ′相两相结构、组织稳定性等方面,以及高温持久性能、对凝固缺陷和抗氧化及抗热腐蚀性等的影响,并提出了未来潜在的研究方向。     

Evolution of TCP Phase During Long Term Thermal Exposure in Several Re-Containing Single Crystal Superalloys

The application and component designs of single crystal superalloys are restricted by the precipitation of topologically closed packed(TCP) phases,which can deteriorate the microstructural stability of the alloys severely.Limited researches concerning the type and morphology evolution of TCP phases under elevated temperature conditions have been reported previously.In the present work,three Re-containing single crystal alloys were designed to investigate TCP phase evolution via long term isothermal exposure tests at 1120℃ while the effects of Re on the microstructural characteristic and elements segregation were also clarified.The results showed that the addition of Re increased the instability of the alloys and the volume fraction of the TCP phases exceeded 5 vol% when the Re content reached 3 wt%.The increasing Re content had also raised the precipitation temperature of TCP phases but it did not change the type of them after long term aging;all the TCP particles were identified as μ phase in this study.Moreover,the elements segregation became considerably serious as Re addition increased constantly,which brought about various morphologies of the μ phase in the experimental alloys.In particular,the rod-like and needle-like μ phases demonstrated the typical orientation within γ matrix while the blocky μphase was dispersedly distributed in the space.No specific orientation relationship could be observed in the μ phase when the addition of Re exceeded certain threshold value.     

镍基单晶高温合金雀斑组织特征

采用OM、SEM、EBSD、TEM等方法研究了第3代单晶高温合金DD9雀斑铸态、热处理态组织及化学成分特征。结果表明：雀斑是由取向杂乱、细小的等轴晶粒组成,通常平行于晶体生长方向,呈链状分布在铸件的表面,其深度与宽度为400~800 μm;雀斑区域含有大量γ/γ''共晶,且出现一定量的MC、M₆C型碳化物和疏松。热处理后雀斑区域等轴晶粒边界出现大尺寸γ''相及颗粒状的M₆C相。雀斑区域含有较多Ta、Al等元素,而Re、W等元素含量较少,雀斑区域成分更加接近枝晶间成分。     

Ta、Co对新型高强抗热腐蚀单晶高温合金组织稳定性的影响

研究了Ta、Co对一种新型高强抗热腐蚀单晶高温合金微观组织及1000 ℃长期时效中组织稳定性的影响。结果表明,随Ta含量的增加,γ′相溶解温度提高,完全热处理后的γ′相尺寸先增大后减小,Co降低了γ′相溶解温度,减小了γ′相尺寸并且降低了γ′相的含量;1000 ℃长期时效过程中,随Ta含量的提高,γ′相粗化速率先降低后升高,Co降低了γ′相的粗化速率,γ/γ′两相错配度和元素的扩散是影响γ′相粗化速率的主要因素;Ta提高了合金中γ′相的含量,促使Re、W、Mo、Cr元素向γ基体中分配,促进了TCP相的析出,Co降低了Re、W、Mo、Cr元素在γ基体中的分配,降低了基体的过饱和度,抑制了TCP相的析出。     

定向凝固高温合金组织演变对持久性能的影响

对比研究了定向凝固高温合金GTD111以及自主设计合金WZ-D2的铸态、热处理态和经980℃/190 MPa持久拉伸后的γ'相、碳化物以及拓普密排(TCP)有害相析出的特征演变及其对持久性能的影响。结果表明:WZ-D2的铸态共晶尺寸和数量均显著小于GTD111;热处理态WZ-D2的γ'相面积分数明显高于GTD111,且立方度略高于后者。GTD111中碳化物的形貌多呈现汉字型,且更易分解。在900℃以上温度,GTD111的持久寿命远小于WZ-D2,这与2种合金中共晶相数量和尺寸、碳化物的分解、γ'相的演化密切相关。     

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用电子探针波谱仪对镍基单晶高温合金进行了定量分析检测,对测试过程中检测线的选择及谱线干扰等方面的问题进行了讨论和研究,提出了解决这些问题应遵循的原则和方法,对组分复杂样品的电子探针定量分析提供有用的参考和借鉴。     

Mo和Re对含Ru新型单晶高温合金组织稳定性的影响

制备名义成分分别含0.4%Mo-6.4%Re、2.8%Mo-6.4%Re和0.4%Mo-6.7%Re的3种新型镍基单晶高温合金。分析合金经过热处理后的元素分配配比,经过1100℃,0～1000 h的热暴露后的γ′相演化、拓扑密排相（TCP）析出规律。结果表明,Re含量的微量增加和Mo含量的大幅增加会明显增加各元素在枝晶干和枝晶间、γ/γ′两相间的偏聚,低扩散元素Re等在枝晶干和γ相的偏析降低了热暴露过程中γ′相的粗化速率。Re的微量增加,促进P相析出数量增多,但P相的长大受到一定限制,原因是Re促进P相形成元素Re、W和Ru在枝晶干的偏聚,促进P相形核,使P相数量增多,但大量析出的P相互相接触交叉,反而降低了长大速率。Mo含量的大幅增加,使得在1100℃长时热暴露过程中同时存在μ相和P相,且μ相优先析出,数量多,尺寸大,而P相析出时间延迟,数量少,尺寸小,原因是Mo促进μ相的主要组成元素Re、W、Mo在枝晶干的偏聚,尤其是Mo含量的提高,促进μ相优先析出,随着μ相形成元素的消耗,以及P相在1100℃下更稳定,促使P相在μ相之后析出。