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.     

单晶镍基合金的热处理及对蠕变性能的影响

根据差热曲线分析制定出合金的热处理工艺,结合蠕变性能测试及组织形貌观察,研究了固溶温度对一种含Re单晶镍基合金蠕变性能的影响.结果表明:铸态合金组织中存在明显的成分偏析,其中元素Cr,Co,Re富集于枝晶干,元素Al,Ta,W等富集于枝晶间.采用不同温度固溶处理,合金具有不同的蠕变寿命.当固溶温度提高到1320℃时,可使合金成分的均匀化程度提高,难溶元素得到充分扩散,降低合金的枝晶干/间成分偏析,并抑制合金中TCP相的析出,可显著提高合金的蠕变抗力.与1300℃固溶处理相比较,合金经1320℃高温固溶处理后,其在1072℃,137MPa条件下的蠕变寿命由37h提高到230h.     

单晶镍基合金高温蠕变期间的组织结构及演化

通过测定［００１］取向单晶镍基合金的蠕变曲线，结合ＳＥＭ、ＴＥＭ观察表明，合金中组织结构的变化对蠕变抗力有明显影响。蠕变Ⅰ、Ⅱ阶段，蠕变的微观机制是位错的攀移；蠕变第三阶段，位错大量切入筏状γ相中，降低了合金的蠕变抗力，发现交替滑移使筏状γ相扭曲，致使γ／γ两相界面产生空穴或微裂纹，是蠕变断裂的直接原因。     

一种高W单晶镍基合金的组织演化与蠕变行为

通过蠕变曲线测定及组织形貌观察,研究了一种9％W单晶镍基合金的组织演化与蠕变行为.结果表明,当在1040℃施加应力大于160MPa时,合金表现出明显的施加应力敏感性,在试验的温度范围内,合金具有较低的应变速率和较长的蠕变寿命,测定出合金的表观蠕变激活能为465kJ/mol.在蠕变初期,合金中γ'相沿垂直于应力轴方向,转变成N-型筏状结构,在稳态蠕变期间合金的变形机制是位错攀移越过筏状γ'相,而蠕变后期合金的变形机制是位错剪切进入筏状γ'相.蠕变断裂后,在试样不同区域筏状γ'相具有不同的形貌,在远离断口区域,筏状γ'相与应力轴方向垂直,而在近断口区域筏状γ'相尺寸及扭曲程度增加的原因是承受的应力及变形程度增大所致.     

一种单晶镍基合金蠕变期间位错网的形成与作用

对「００１」取向单晶镍基合金的恒温拉伸蠕变组织形貌的ＴＥＭ观察表明，蠕变初期，基体γ相八面体滑系中两组１／２〈１１０〉位错运动至同一晶面相遇，发生反应形成三维节点的位错网络；稳态期间，其体中运动位错可通过界面位错网攀移过筱状γ’相；蠕变形变的特征是运动位错在位错网损坏处切处筏状γ’相内。     

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。     

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。     

锰元素对TWIP钢层错能和变形机制的影响

根据层错能的热力学模型,计算了Fe-XMn-3Si-3Al 系高强度高塑性TWIP钢的层错能.计算结果表明,随锰含量增加Fe-XMn-3Si-3Al系 TWIP钢层错能增加,在此基础上讨论了锰含量对Fe-XMn-3Si-3Al 系TWIP钢变形机制、力学性能和微观组织的影响.在合金中Mn含量的提高使层错能增加,而层错能的增加使Fe-XMn-3Si-3Al系钢表现出不同的变形机制,即逐渐由TRIP效应变为TWIP效应;同时随着Mn含量的提高,合金的抗拉强度降低,而塑性提高.     

镍基合金喷焊层的组织特征及其对焊接裂纹敏感性的影响

利用火焰喷焊技术制备了镍基合金喷焊层，采用光学显微镜和扫描电镜研究了其组织特征，初步分析了该组织特征对喷焊层焊接裂纹敏感性的影响。结果表明，整个喷焊层由较细小的等轴晶组成，这有利于降低其焊接裂纹敏感性。喷焊层表层和基体界面处的晶粒比中部稍大，而晶界宽度则较小。传统喷焊工艺重熔不充分导致气孔比较严重，增加了焊接时的裂纹敏感性。     

冷却速度对镍基合金堆焊层焊接热裂纹的影响

采用托马斯镶嵌块试样和中子测量管与封头堆焊层的实样进行焊接试验，比较了空冷、水冷和－４０℃干冰酒精冷却条件下焊接对焊缝微裂纹的影响。结果表明焊缝的高速冷却有利于镍基合金焊缝热裂纹的减少。     

层错能对Fe-Mn-C系TRIP/TWIP钢变形机制影响

对三种不同层错能(SFE)Fe-Mn-C系TWIP钢的变形机制进行了研究.结果表明:在淬火态下,TWIP钢组织为全奥氏体,奥氏体晶粒内存在少量退火孪晶.TWIP钢的层错能随着C、Mn含量的增加而增加.层错能为7 mJ/m2时,变形后出现大量ε马氏体,且随着应变量的增大,ε马氏体峰增强,表现为单一的TRIP效应;层错能为12 mJ/m2时,应变诱导γ→ε→α或γ→α的转变及形成少量形变孪晶,表现为TRIP/TWIP效应;层错能为18 mJ/m2时,变形后形成大量形变孪晶,表现为单一的TWIP效应,抗拉强度和延伸率分别达到851 MPa及49%.随着层错能增加,TWIP钢的断裂机制由沿晶断裂转变为以韧窝为主的塑性断裂.     

Si 含量对 Fe-Mn-Si 合金层错能的影响

根据层错能的热力学模型,计算了三种 Fe-Mn-Si 合金的内禀层错能。计算结果表明,随着 Si 含量增加 Fe-Mn-Si 合金的层错能降低。在此基础上讨论了 Si 含量对 Fe-Mn-Si 合金形状记忆效应的影响。     

Cr_2O_3对镍基合金激光熔敷层硬度及腐蚀磨损性能的影响

研究加ｃｒ＿２Ｏ＿３前后的镍基合金Ｇ１１２激光熔敷层的性能。结果表明，加入１０％（ｗｔ）Ｃｒ＿２Ｏ＿３的激光熔敷层的硬度ＨＶ＿０．２比未加的提高１００以上。在酸性介质中耐蚀及腐蚀磨损性能得到很大改善。低冲击速度下其腐蚀磨损为显微切削机制，高冲击速度下，二者腐蚀磨损机制趋于一致。     

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。     

镍基合金及其铸造技术

镍基合金是一种耐蚀和耐高温氧化的合金。本文概要地介绍了合金的分类、熔铸方法和综合性能。     

GH4720Li镍基合金混晶组织对高温持久性能的影响

GH4720Li镍基合金具有优良的高温力学性能,被广泛地用于制造航空发动机热端部件。在实际生产过程中GH4720Li合金容易得到含有局部粗晶的混晶组织。利用高温持久实验和扫描电子显微镜技术,研究了680℃/830 MPa与730℃/530 MPa条件下混晶组织对GH4720Li合金持久性能的影响规律,结果表明680℃/830 MPa条件下合金的持久失效机制以晶内位错运动为主,持久寿命随着粗晶数量增加而缩短。混晶中的粗晶含量相同时,晶界滑移机制也会起到一定作用,粗晶尺寸增大可以有效延长持久寿命。730℃/530 MPa条件下合金的持久失效机制以晶界滑移机制为主,持久寿命随着粗晶数量增加而延长。混晶中的粗晶含量相同时,持久寿命随着粗晶尺寸增大而缩短。     

不同加热温度对625镍基合金晶间腐蚀性能的影响

为给实际生产提供可靠性解决方案,通过拉伸、硬度试验、金相分析和G28腐蚀性试验,研究了不同加热温度对625镍基合金晶间腐蚀性能的影响。结果表明:随着加热温度的升高,625镍基合金的耐晶间腐蚀性能得到提高;在1 100℃退火热处理时,625镍基合金的强度和耐晶间腐蚀性能指标均能满足产品技术要求。     

FGH95粉末镍基合金的组织结构与蠕变特征

通过蠕变曲线的测定及组织形貌的观察,研究了FGH95粉末镍基合金的蠕变行为及变形特征.结果表明:FGH95粉末镍基合金在试验的温度和应力范围内,具有明显的施加温度和应力敏感性,并测算出合金的蠕变激活能和应力指数.合金的组织结构由一次、二次、三次γ'相及弥散分布的碳化物组成,在粉末颗粒之间具有较宽的晶界.蠕变期间,在合金晶粒内的变形以单取向或双取向滑移方式进行,并在滑移迹线附近有细小碳化物析出,而较宽的晶界由于剧烈变形可发生碎化形成细小晶粒.合金在蠕变期间的微观变形机制是位错发生双取向滑移,其中(1/2)《110》位错在γ基体相中运动,《110》超位错存在于γ'相内,而层错的形成是由于《110》超位错分解为(1/3)《112》超肖克莱不全位错所致.     

DD3单晶合金高温蠕变、疲劳及其交互作用机制

研究不同温度、不同应力下DD3单晶合金不同取向的疲劳、蠕变及疲劳-蠕变交互作用机制.结果表明:给定的实验条件下,DD3单晶的疲劳、蠕变及其交互作用均具有明显的各向异性,均以[111]取向的寿命最长,[001]取向次之,[011]取向最短,在相同温度和应力条件下以疲劳时的各向异性程度最为显著;DD3单晶具有较强的抗蠕变能力和相对较弱的抗疲劳能力,疲劳-蠕变交互作用中蠕变起主要作用.