小偏离度对[001]取向单晶高温合金蠕变性能的影响

用选晶法制备了[001]取向的Ni-Co-Cr-Mo-W-Al-Ti-Ta镍基单晶高温合金板坯,从板坯上切取偏离[001]取向一定角度的持久试样,偏离度在20°以内。在750℃/750 MPa的低温高应力条件下,偏离不同角度的试样均获得了较长的蠕变寿命和较低的应变量,进入稳态阶段之前不同偏离度试样之间的初始蠕变量具有一定的差别,但稳态阶段各试样的应变速率基本相同,所以偏离度对整个试样的蠕变寿命影响不大。各取向共同的变形特征是γ′相中形成大量层错,基体通道中有大量的位错堆积,但具体的位错及层错组态有所不同。在偏离[001]取向20°以内,偏离度对微观组织演化、变形机制的影响不明显。     

横向预压缩对[001]取向镍基单晶高温合金蠕变性能的影响

通过蠕变性能测试及组织形貌观察,研究了预压缩对一种[001]取向镍基单晶合金蠕变性能的影响。结果表明,[001]取向镍基单晶合金在1040℃/180 MPa条件下沿[100]方向预压缩38 h后,立方??相转化为与[001]取向垂直的P型纤维状筏形组织。合金晶向及预压缩和拉伸蠕变应力轴取向误差是预压缩合金内纤维状??相发生横向连接的原因。合金在预压缩及后续拉伸蠕变过程中??/?相界面能的降低是??相发生组织演化的驱动力。有/无预压缩的[001]取向合金在980℃/200 MPa条件下蠕变至稳态阶段的变形机制为位错在基体通道内的滑移和攀移。相对于未预压缩合金,预压缩后合金的微观组织结构使位错更容易在基体通道中滑移,其对合金沿[001]方向的应变率贡献更大,因此预压缩降低了合金在980℃/200 MPa条件下的蠕变抗力。     

取向偏离度对镍基单晶高温合金DD10低周疲劳行为的影响

本文研究了特定试验条件下,镍基单晶DD10取向偏离[001]的程度对其低周疲劳行为的影响。结果表明：取向偏离度对DD10合金的低周疲劳行为影响明显。疲劳寿命随取向偏离度的增加而明显降低,在同等偏离度下,晶体取向靠近[001]-[011]的合金低周寿命优于取向靠近[001]-[11]的合金;分析发现：不同取向偏离度合金DD10低周疲劳寿命的差异源于其每循环周次的可累计塑性变形的差异。另一方面,取向偏离度对疲劳总应力幅和塑性应变幅的影响却截然相反,但对疲劳裂纹萌生和扩展方式影响不大。     

[011]取向镍基单晶合金蠕变特征

研究了一种[011]取向镍基单晶合金的拉伸蠕变特征及其变形期问的微观组织结构.结果表明:在750℃/680 MPa条件下,合金的初期蠕变和稳态蠕变速率相对较高,蠕变寿命较短.TEM观察显示,蠕变期间的变形特征是1/20<110>位错在基体中运动,发生反应形成1/3<112>超Shockley不全位错切入γ'相后产生层错;在870℃/500 MPa条件下,蠕变中期出现不均匀滑移带并有大量超不全位错剪切γ'相,使合金具有较高的应变速率;在980℃/200 MPa条件下,合金具有较长的蠕变寿命和较低的稳态蠕变速率.不同Burgers矢量的位错相遇发生反应形成界面位错网,位错网可以阻止位错切入γ'相,γ'相沿[010]方向扩散生长,逐渐转变成筏形组织.蠕变后期位错切入,γ'相,是合金变形的主要方式.     

高温条件下Ru对镍基单晶合金元素浓度分布及蠕变性能的影响

对无Ru和2%Ru镍基单晶高温合金在高温条件下进行蠕变性能测试。采用三维原子探针技术分别对有/无Ru合金在蠕变前/后各元素于γ/γ′两相的浓度分布进行测定。结果表明:2%Ru合金表现出了更好的高温蠕变性能,在1100℃/137 MPa条件下,2%Ru合金的蠕变寿命是125 h,而无Ru合金的蠕变寿命仅为58 h。元素Ru可提高元素在γ、γ′两相溶解度,降低元素在γ/γ′两相浓度比,提高合金中γ′相的合金化程度。经1100℃、137 MPa高温蠕变后,无Ru合金中各元素于γ/γ′两相中的浓度分布发生明显改变,其中元素W的浓度比由1/2.875(摩尔分数比)变为1/8.81,同时,各元素于γ/γ′两相界面处的浓度梯度明显增大。这种浓度分布的变化导致g相中难溶元素的含量增大,并析出TCP相,TCP相可破坏γ′相连续筏型结构,大幅降低合金蠕变性能。2%Ru合金中各元素在γ/γ′两相中的浓度分布和相界面处的浓度梯度均无明显变化。这表明高温蠕变可对合金中各元素在γ/γ′两相中的浓度分布和相界面的浓度梯度产生影响,元素Ru可抑制这种影响的产生。     

热处理对一种镍基单晶高温合金高温蠕变性能的影响

对[001]取向的一种镍基单晶高温合金进行了1050℃,160MPa的拉伸蠕变试验.结合合金性能数据和变形形貌、位错组态的观察,分析了不同热处理制度对合金在高温低应力条件下蠕变性能的影响.结果表明,尺寸为0.4μm左右、规则排列的立方γ,具有较好的高温蠕变性能,而较小的γ,和较大的γ,均不利于合金在高温下的蠕变性能;二次时效处理对提高合金高温蠕变强度的作用不大;筏形组织的完善程度影响合金高温下的蠕变性能;二次y,相不利于提高合金高温蠕变性能.     

镍基单晶高温合金的小角度偏离[001]取向对蠕变性能的影响（英文）

小角度偏离[001]取向的镍基单晶高温合金的蠕变性能受温度、γ'尺寸和应力条件的影响。本文综述了镍基单晶高温合金的[001]取向小角度偏离对蠕变性能的影响。不同程度的偏离引起的不同蠕变性能变化,源于不同的蠕变变形机制。不同的蠕变变形机制对应着引起蠕变发生的不同临界应力。在中温(760～850°C),合金的蠕变性能对[001]取向的角度偏离很敏感,即使角度有轻微变化也会对蠕变性能有明显影响,但是温度高于850°C时,小角度的取向偏离对蠕变性能影响不大。γ'尺寸对小角度偏离的合金蠕变性能的影响受温度制约。在中温,γ'尺寸的变化影响着小角度偏离引起的蠕变性能变化,但是在高温γ'相快速伐化,变形机制和γ'尺寸变化无关。     

一种单晶高温合金的高温蠕变性能

在真空定向凝固炉中采用螺旋选晶法制备了一种镍基单晶高温合金,研究了合金在不同温度和应力下的高温蠕变性能,用扫描电镜和透射电镜研究了合金蠕变断裂组织。结果表明,在1 070~1 120℃温度范围内,120~140 MPa应力条件下,合金具有良好的蠕变性能和较高的承温能力。随着加载应力或者温度提高,合金的应变速率增大,蠕变寿命降低。合金在高温蠕变过程中形成了筏排组织,随着加载应力或者温度提高,筏排的厚度增加。不同条件的蠕变过程中都析出了少量的针状σ相,它主要含有Re、W、Mo等元素。高温下合金蠕变变形机制为位错绕过机制,在γ/γ′相界面形成了高密度的位错网。     

镍基单晶合金的γ′相筏化准则及蠕变性能的晶体取向相关性

基于最大降低相界面能密度原理,本文推导了一般应力状态下镍基单晶合金的强化相γ′筏化准则,给出了筏化图,并得到试验结果的验证,进而定量分析了筏化过程,利用该准则即最大相界面密度降低,可以很好地描述蠕变性能的晶体取向相关性,并初步得到试验结果的验证。     

固溶温度对镍基单晶合金蠕变性能的影响

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高W镍基单晶合金蠕变性能的影响。结果表明：铸态合金中存在明显的枝晶成分偏析,其中元素Al、Ta、W富集于枝晶干,元素Mo、Cr、Co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1 325℃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,可降低合金中枝晶干/间的成分偏析,并显著提高合金的蠕变抗力。与1 310℃固溶处理相比,合金经1 325℃高温固溶处理后,在1 072℃、137 MPa条件下的蠕变寿命由35 h提高到48 h。     

[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。     

晶体取向对镍基单晶合金蠕变行为的影响

通过蠕变曲线测定及组织形貌观察,研究[001]、[011]取向镍基单晶合金在蠕变期间的组织演化及变形特征。结果表明:经完全热处理后,[001]和[011]取向合金中立方γ′相均以共格方式镶嵌在γ基体相中,并沿〈100〉取向规则排列。蠕变期间,[001]取向合金中γ′相沿垂直于应力轴方向形成N-型筏状组织,而[011]取向合金中γ′相沿[001]取向形成纤维状筏形组织,且在(100)晶面的筏状γ′相与施加应力轴方向呈45°角排列,其中,立方γ′相不同晶面中扩张晶格的法线方向是筏状γ′相的生长方向。在试验温度和应力范围内,与[011]取向合金相比,[001]取向合金具有较好的蠕变抗力。在高温蠕变后期,两取向合金中的筏状γ′相均发生粗化和扭折,其中,[001]取向合金在蠕变后期的变形机制是位错剪切γ′相,而[011]取向合金的变形特征主要是形变位错在基体通道中滑移。     

螺旋选晶器对单晶高温合金晶粒取向的影响(英文)

对于航天推进和发电燃气轮机,为了实现更高的效率和性能并同时降低成本和排放,需要发展先进的镍基单晶高温合金。随着合金的发展,合金的铸造技术已经从定向凝固(DS)发展到单晶(SX)。单晶取向与择优取向的偏差已经成为单晶高温合金最重要的铸造缺陷之一。在自行设计的高温度梯度定向凝固装置中,采用改进的Bridgeman法,用螺旋选晶器拉制出DZ417G合金的单晶。使用XRD和EBSD对其取向进行分析研究。结果表明:较小角度的螺旋选晶器可以有效地减少单晶取向与择优取向的偏差。     

元素Re对镍基单晶合金中温蠕变行为的影响

通过对有/无元素Re合金进行蠕变曲线测定及组织形貌观察,研究了元素Re对镍基单晶合金中温蠕变行为的影响。结果表明:与无Re合金相比,4.5%Re合金在中温/高应力条件下具有良好的蠕变抗力。蠕变期间无Re合金中的#’相转变成串状,而4.5Re合金中的#’相仍保持立方体形貌,有/无元素Re合金在中温蠕变期间的变形机制均为<110>超位错剪切#’相,切入#’相的超位错可在{111}面滑移,或在{111}面分解形成{112}超肖克莱不全位错+(SISF)的位错组态,抑制其交滑移;其中,4.5%Re合金中切入#’相的<110>超位错可由{111}面交滑移至(100)面,形成K-W锁,是使合金具有良好蠕变抗力的重要原因之一。     

Influence of microstructure stability on creep properties of single crystal nickel base superalloys

The influence of microstructure stability on the creep properties of single crystal nickel-based superalloys was investigated by means of the measurement of the creep curves and microstructure observation. Results show that the superalloy with 4%（mass fraction）W in Ni-AI-Cr-Ta-Co-5.5%Mo-x%W systems displays a better microstructure stability, but the β phase is precipitated in the superalloy with 6% W during aging. The strip-like μ phase is precipitated to be parallel or perpendicular to each other along the 〈110〉 orientation, and grown into the slice-like morphology along the { 111 } planes. The superalloy with 4%W displays a better creep rupture lifetime under the applied stress of 200 MPa at 982 ℃, but the creep lifetime of alloy is obviously decreased with the increase of the element W content up to 6%. The fact that the μ phase is precipitated in the superalloy with 6% W during applied stress and unstress aging results in the appearance of the poor regions for the refractory elements. This is one of the main reasons for reducing the creep rupture lifetime of the superalloy.     

预压缩处理对镍基单晶高温合金蠕变变形机制的影响

对[001]取向镍基单晶合金进行预压缩处理,获得P-型筏状结构后进行拉伸蠕变实验,测定P-型γ'合金(预压缩态)与立方γ'合金(热处理态)的相对蠕变性能.结果表明:在800 ℃,600 MPa条件下,P-型γ'合金的初期蠕变应变及稳态蠕变速率相对较高,而持久寿命相对较短.TEM观察显示,P-型γ'合金在蠕变初始阶段除了基体中的{111}<110>多滑移启动外,位错还以层错和超位错的形式切入γ'相.在980-1020℃温度区间及恒定载荷200 MPa条件下,P-型γ'合金的稳态蠕变速率相对较低,持久寿命相对较高.在稳态蠕变初期,合金中的γ'相有效地抑制了位错沿垂直γ/γ'界面的攀移运动;而在稳态蠕变中期,γ'相被稠密的位错网包围,位错难以切入,合金的蠕变抗力提高.     

温度对一种含Re单晶高温合金拉伸行为和变形机制的影响(英文)

研究了一种含Re单晶高温合金在20～1100℃的拉伸性能。结果表明:在室温至600℃时合金屈服强度随温度的升高轻微增大,从600至760℃时合金屈服强度明显降低到一个极小值,到800℃时急剧增至最大值。从室温至800℃时伸长率和面缩率缓慢降低;在800℃以上时,屈服强度急速下降。在600℃以下时,γ′被反相畴界切割而在其中留下伸长的超晶格层错;在760℃时,γ′被a/3-112-位错切割,这是由于层错能降低而导致强度降低;当高于800℃时,位错以绕越机制通过γ′。     

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     

低层错能镍基单晶高温合金压缩行为和变形组织的温度相关性（英文）

在室温至1000℃的范围内,研究温度对一种低层错能镍基单晶高温合金压缩行为和变形组织的影响。研究结果表明,压缩行为和变形组织均表现出温度相关性。室温下该合金具有较高屈服强度,600℃时屈服强度有所下降;随后,随着温度的升高,屈服强度持续增加,并在800℃时达到最大值;在800℃以上时,屈服强度迅速降低。通过透射电子显微镜观察揭示合金变形机制。位错缠结和位错对塞积是室温下屈服强度较高的主要原因。在600℃时,变形机制从反相畴界切割向堆垛层错切割转变,这导致屈服强度略有下降。在800℃时,变形机制以堆垛层错切割为主,而Lomer-Cottrell锁和不同方向堆垛层错之间的反应导致最大的屈服强度。在900℃及以上时,虽然仍存在一些层错,但主要变形机制为位错绕过机制。最后,讨论变形机制和压缩行为的温度依赖性。