热暴露温度对单晶高温合金持久性能的影响

在定向凝固炉中采用螺旋选晶法制备了一种单晶高温合金试棒,经标准热处理后分别在980、1070、1100和1140℃热暴露500 h,研究了合金不同温度热暴露后的显微组织和1100℃、140 MPa条件下的持久性能。结果表明,合金在不同温度热暴露后,γ'相发生粗化或筏排化。随着热暴露温度增加,γ'相粗化或筏排化程度增加,γ相基体通道变宽。在980℃热暴露500 h后,合金中无TCP相析出,而1070、1100和1140℃热暴露500 h后有针状TCP相析出。随着热暴露温度升高,TCP相含量增加,持久寿命降低,伸长率先增加并在1140℃热暴露后减小。热暴露后γ'相粗化或筏排化、含量减少和TCP相析出是合金持久寿命降低的主要原因。     

Ru对镍基单晶热暴露组织演变及持久性能的影响

对比研究了不含Ru的USTB-F7及添加2.5 wt％ Ru的USTB-F8两种镍基单晶高温合金的组织稳定性和持久性能.标准热处理与1100℃长期热暴露组织研究表明: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;热暴露2000 h后,其形貌仍保持稳定,仅发生粗化而未发生筏排化.Ru的添加使Re元素在γ/γ′中的分配比增大,提高了合金USTB-F8的γ/γ′点阵错配度和γ'相的立方度,从而加速了长期热暴露过程中的筏排化进程,经2000 h热暴露发生了明显的筏排化现象.同时,合金USTB-F7热暴露700 h后在枝晶干处析出了富集Re、W和Cr元素的TCP相,Ru的加入有效地抑制了TCP相的析出,合金USTB-F8直至2000 h仍未析出TCP相.1100℃/140MPa持久性能测试表明,Ru显著提高合金的持久寿命,这与Ru增加合金中的y相体积分数和γ/γ′点阵错配度,促进筏排组织的形成,并减小时效组织中的γ通道宽度有关.     

镍基单晶高温合金CMSX—4相形态演变及蠕变各向异性

研究了１２５３Ｋ，３５０ＭＰａ拉伸蠕变过程中（００１），（１１０）和（１１１）取向镍基单晶高温合金ＣＭＳＸ－４基体相γ和析出相γ的演变方式及相尺寸的变化规律，比较了不同取向单晶试样中γ和γ′特征尺寸的变化对蠕变应变量和应变速率的影响，结果表明，沿γ′定向粗化方向上γ基体通过宽度（即相邻γ′的间距）的变化经对蠕变应变量和应变速率的影响较为明显，根据不同取向试样中γ基本通道的演变规律和塑性变形机制综合     

Structure Evolution and Creep Behavior for a Nickel-Base Single Crystal Alloy along [011] and [001] Orientations

研究980 ℃,200 MPa拉伸蠕变期间[001]和[011]取向镍基单晶合金中γ′相的形貌演化及蠕变特征,在相同拉伸条件下晶体取向的变化对合金的应变和应变速率产生明显影响。结果表明：沉淀相的定向粗化方向取决于合金的晶体取向,沿[001]取向拉伸,γ′相从最初的立方形态转化为与拉伸应力轴垂直的筏形;当拉伸轴平行于[011]取向时,γ′ 相沿[010] 和[100] 方向扩散生长,演化成与拉伸轴倾斜45o角的筏形。[011]取向合金的蠕变强度随其基体通道宽度的增大而快速下降,蠕变前期[001]与[011]取向的应变速率相近,蠕变后期合金表现出明显的蠕变各向异性     

W对第三代镍基单晶高温合金组织稳定性的影响

通过对3种不同W含量(6%、7%、8%,质量分数)的第三代镍基单晶高温合金铸态、热处理态和热暴露后的组织观察和成分分析,研究了W对元素偏析、热处理组织及热暴露过程中组织演化的影响。结果表明:W含量的提高对合金元素的铸态偏析、完全热处理后的γ′相形貌、尺寸和体积分数均无明显影响。在950℃热暴露过程中,W含量的提高抑制了γ′相的粗化,但加速了γ′相的连接变形。3种合金在热暴露过程中析出的TCP相主要为m相和s相,且TCP相析出量随W含量的增加而缓慢增大。此外,3种合金在1000℃热暴露时TCP相析出量最大,在950℃热暴露时次之,在1050℃热暴露时析出量最小。     

单晶镍基合金在拉伸蠕变期间的组织演化与分析

通过[001]取向镍基单晶合金拉伸蠕变期间的组织形貌观察,采用应力应变有限元方法计算出立方γ/γ′两相共格界面的vonMises应力分布,研究了合金在蠕变期间γ′相的定向粗化规律。结果表明,施加拉应力可改变立方γ/γ′两相的应力分布,使不同晶面发生晶格收缩与扩张应变,其中,(001)晶面产生晶格收缩可排斥较大半径的Al、Ti原子,(100)和(010)晶面沿平行于应力轴方向产生晶格扩张应变,可诱捕较大半径的Al、Ti原子,是使其γ′相沿扩张晶格的法线定向生长成为类似筛网层状结构的组织演化规律。并进一步提出蠕变期间发生元素扩散和γ′相定向生长的驱动力。     

[111]取向镍基单晶合金在蠕变期间组织演化的有限元分析

采用弹塑性应力-应变有限元方法计算了[111]取向镍基单晶合金中γ/γ′两相共格界面的von Mises应力及应变能密度分布,研究了施加拉应力对γ/γ′两相界面von Mises应力分布及γ′相定向粗化规律的影响.结果表明:[111]取向镍基单晶合金经热处理后,组织结构是立方γ′相以共格方式嵌镶在γ基体相中,沿(100)方向规则排列.当沿[111]取向施加拉应力蠕变期间,与近(010)γ′晶面的基体通道相比,近(001)γ′和(100)γ′晶面的基体通道有较大的von Mises应力,在主应力分量的作用下,(100)和(001)晶面分别沿[001],[010]和[010],[100]方向发生较大的晶格扩张应变,可诱捕较大半径的Al和Ti原子,这是促使γ′相在(010)面沿[001]和[100]方向定向生长成为层片结构的筛网状筏形组织的主要原因.     

定向凝固及单晶Ni基超耐热合金在高温下γ′相的长大

随着航空发动机及工业用气体涡轮零件的高性能化,对其所用的叶片以及活阀,均采用高温性能优异的Ni基超耐热合金定向凝固材料及单晶材料.众所周知,这些合金在高温下,耐高温的γ′相产生粗大化,引起了材料性能的恶化.可是,实际应用的合金中,关于γ′相的长大及加热条件定量分析报告的实例很少.本文采用已实际应用的CM-247 LC(定向凝固材料),CMSX-2(单晶材料)及CMSX-4(单晶材料)三种材料,探讨了关于这三种合金在高温加热下γ′相的粗大化.从而得出,γ′相的粗大化和表示体积扩散率的LSW理论相一致.     

K403镍基合金热暴露下的组织稳定性研究

采用拉伸试验、扫描电镜、透射电镜等试验分析手段研究了K403镍基铸造高温合金在温度为800~950℃、时间为50~200 h热暴露后组织稳定性与性能的变化。结果表明:随着热暴露温度的提高,γ’相聚集长大、边角发生钝化,γ’相形貌由方形向圆形或近圆形转变,部分γ’相发生定向排列连接粗化的现象越显著;合金仅在850和900℃热暴露条件下有少量有害的针状TCP脆性相(σ相)析出;随着热暴露温度的升高,合金抗拉强度下降幅度增大,延伸率呈上升趋势。其主要原因是由于γ’相的粗化聚集和TCP相的析出。     

Ta含量对铸造高温合金DZ411长期热暴露过程中γ′相粗化的影响

借鉴材料基因工程中高通量实验的做法，采用快速凝固技术和定向凝固技术制备含Ta浓度梯度的定向合金，并在900℃进行长期热暴露实验，研究不同Ta浓度对铸造高温合金热暴露中γ′相生长速率的影响。通过对不同热暴露时间γ′相尺寸变化的统计，结合粒子粗化理论计算发现，随着Ta浓度增加，粗化速率常数一直在减小。通过合金中有效扩散系数计算发现，热暴露前期，高Ta浓度处的γ′相形成元素平均扩散系数较低，使得γ′相生长速率放缓。在长期热暴露后期，高Ta浓度处γ′相生长速率依旧缓慢，并且γ相基体间产生了大量位错，经测量，两相的相界面间的晶格错配度减小，阻碍了相形成元素向γ′相内迁移，导致γ′相生长速率减缓。     

[111]取向镍基单晶合金的组织结构与蠕变行为

通过蠕变曲线的测定及微观组织形貌观察,研究[111]取向镍基单晶合金在高温低应力条件下的组织结构与蠕变行为。结果表明:经完全热处理后,[111]取向单晶合金的组织结构是立方γ′相以共格方式嵌镶在γ基体中,并沿100方向规则排列;在1 040~1 080℃、137~180 MPa的温度和应力范围内,该取向单晶合金表现出明显的温度和施加应力敏感性。蠕变期间,γ′相沿与应力轴呈一定角度形成筏状组织,蠕变后期在近断口区域筏状γ′相发生粗化和扭折。[111]取向单晶合金在蠕变期间的变形特征是位错在γ基体通道中运动和剪切筏状γ′相,由于形变量较大,较多位错切入筏状γ′相后使其形成亚晶结构,其中,蠕变后期大量位错切入筏状γ′相导致合金的蠕变抗力降低,是合金发生蠕变断裂的主要原因。     

Effect of long-term thermal exposure on microstructure and creep properties of DD5 single crystal superalloy

The effect of thermal exposure on the microstructure and creep properties of the Ni-based single crystal superalloy in different test conditions was studied. Long-term exposure was performed at 1,000 °C and 1,100 °C for 500 h prior to the creep tests. The creep lifetime is found to be improved after the long-term exposure at 1,000 °C for 500 h as a result of the formation of secondary M₂₃C₆ in the interdendritic region. The coarsening of γ′ precipitates accompanied by the formation of TCP phase lead to the degradation of alloy, which is responsible for the reduction of the creep lifetime of Ni-base single crystal superalloy after long-term exposure at 1,100 °C for 500 h. The creep lifetime of 1,000 °C thermally exposed sample under the conditions of 1,093 °C/137 MPa is lower than that of heat-treated state. Thermal exposure at 1,100 °C for 500 h causes the creep lifetime to drop drastically.

     

一种[011]取向镍基单晶合金拉伸蠕变中的组织演化

在1040℃,137MPa下对[011]取向镍基单晶合金进行蠕变曲线测定,采用SEM观察热处理及蠕变后样品不同晶面的组织形貌,研究了[011]取向镍基单晶合金在蠕变期间的组织演化特征,并分析了组织演化的规律及影响因素。结果表明:取向差为4°的[011]取向镍基单晶合金经完全热处理后,组织是立方γ′相以共格方式嵌镶在γ基体相中,并沿<100>取向规则排列;在拉伸蠕变期间,合金中γ′相转变成与[001]取向平行的纤维状筏形组织。由于施加拉伸载荷,使立方γ′相中的(100)晶面及γ基体相承受挤压力,可排斥较大半径的Al、Ta原子,而在(001)晶面产生较大的晶格扩张应变,可诱捕较大半径的Al、Ta原子,因而促使γ′相沿[001]取向定向生长成为纤维状筏形组织。在外加应力作用下,不同晶面γ′/γ两相界面的应变能密度变化是促使发生元素扩散和γ′相定向粗化的驱动力。     

DD6单晶高温合金叶片小角度晶界组织

采用扫描电镜和透射电镜研究了DD6单晶高温合金叶片小角度晶界的铸态组织、热处理组织和长期时效组织.铸态小角度晶界组织中,粗大γ′相和块状共晶沿晶界析出;热处理小角度晶界组织中,晶界上有一薄层γ相,晶界两侧的γ′相立方化较好,但由于小角度晶界的存在,γ′立方体不完整;1070℃长期时效500 h小角度晶界组织中,晶界上析出粒状碳化物,无TCP相析出,DD6单晶高温合金小角度晶界组织有很好的稳定性.     

980 ℃长期时效对DD15单晶高温合金组织稳定性的影响

采用选晶法在真空高梯度定向凝固炉中制备第四代单晶高温合金DD15试棒,热处理后在980 ℃分别时效400、800、1200、1600、2000 h,研究不同时效时间的合金组织。结果表明:合金的热处理组织由立方化较好γ′相和基体γ相组成。随着980 ℃时效时间增加,γ′相合并长大仍保持立方形状,基体通道的宽度增加;时效1600 h时,未有TCP相析出;时效2000 h时,析出极少量TCP相,合金具有良好的组织稳定性;合金中较多的Re、W、Ta、Mo、Nb等高熔点元素能够抑制γ′相长大,Ru元素能够抑制TCP相的析出,合金具有良好的组织稳定性。     

DD5合金单晶双联整铸导向叶片的热工艺匹配性

研究了DD5合金单晶双联整铸导向叶片热工艺顺序对组织和性能的影响。结果表明,DD5合金标准热处理后,合金组织由碳化物、残留共晶相和规则立方状的γ'相组成。与标准热处理相比,时效前后的焊接,碳化物形貌和数量无明显变化,γ'相和基体通道尺寸呈不均匀分布,γ'相的立方化程度降低,可见锯齿状的γ'/γ相界面,基体通道可见细小不规则的二次γ'相。与时效后进行钎焊工艺相比,时效前进行钎焊工艺的γ'/γ相界面锯齿化程度较轻,γ'相的立方化程度稍好,对合金870 ℃拉伸性能、980 ℃/250 MPa和1093 ℃/158 MPa持久性能没有明显影响。考虑到叶片研制生产工序的安排,建议DD5合金导向叶片先进行标准热处理,再安排焊接工序。     

Microstructure Evolution of a Single Crystal Nickel-Base Superalloy During Heat Treatment and Creep

Microstructure evolution of a single crystal nickel-base superalloy during heat treatment and tensile creep at 1010℃ and 248 MPa for 30h was observed and analyzed. Internal stresses because of lattice mismatch between γ and γ‘ phase provided the driving force for γ‘ shape evolution during heat treatment. More than 65 vol. % distorted cubic γ‘ phase keeping coherency with the γ matrix precipitated after solution at 1295℃ for 32h. The shape of γ‘ phase was perfectly cubic with increasing precipitate size during the two-step aging treatment. Due to the applied stress and intemal stress field the continuous γ-γ‘ lamellar structure perpendicutar to the apptied stress was fonmed after 30h tensile creep.     

Pt+g ￠-Ni3Al+g-Ni/CMSX-4涂层结构的透射电镜研究

通过在CMSX-4镍基单晶高温合金表面镀Pt然后采用包埋渗铝的方法成功制备Pt改性的Pt+γ′-Ni3Al+γ-Ni/CMSX-4涂层,采用扫描电镜和透射电镜研究Pt+γ′-Ni3Al+γ-Ni/CMSX-4涂层的微观结构。TEM分析表明Pt主要分布于涂层γ′-Ni3Al相中,且涂层γ′-Ni3Al相里存在{111}孪晶;此外涂层内还发现六方结构富铼的拓扑密堆相(μ相),点阵常数为a=0.473nm和c=2.565nm,首次发现μ相内除了(001)孪晶外还存在(102)孪晶;探讨μ相和孪晶的形成机制。