Ru对一种高Re单晶高温合金γ/γ′相中元素分布及高温蠕变性能的影响

研究了不同Ru含量(质量分数,0%和2%)的高Re镍基单晶高温合金在1120℃/140 MPa条件下的蠕变性能,采用SEM、STEM/TEM以及EDS等方法分析了Ru对合金γ/γ′相组织、合金元素成分分配比、蠕变变形组织和位错形态的影响。结果表明,与无Ru合金相比,含Ru合金γ′尺寸更为细小,γ相通道更窄,γ/γ′两相中对TCP相析出有重要影响的Re、Mo和Cr元素分配更加均匀。Ru通过减小γ′相尺寸和γ相通道宽度,降低γ/γ′界面平均位错间距,抑制蠕变加载过程中TCP相析出,显著提高合金的高温蠕变性能。     

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。     

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。     

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。     

含Re/Ru镍基单晶合金的高温蠕变行为和损伤特征

通过蠕变性能测试和组织观察,研究4.5％Re/3％Ru镍基单晶合金在高温的蠕变行为和损伤特征.结果表明:测定出该合金在(1100℃,140 MPa)下的蠕变寿命为476 h.合金在高温稳态蠕变期间的变形机制是位错在γ基体中滑移和攀移越过筏形γ′相,在蠕变后期的变形机制是位错在基体中滑移和剪切筏状γ′相.其中,剪切进入γ...     

先进镍基单晶高温合金组织稳定性及力学行为的研究进展

从先进镍基单晶高温合金的微观组织稳定性和力学行为2个方面,简要介绍了γ'相筏化、TCP相析出、高温和超高温低应力蠕变以及低周和热机械疲劳的主要研究进展.合金元素Ru的添加提高了合金的高温低应力蠕变寿命,但也间接促进了拓扑倒置现象的发生.随时效时间的延长和时效温度的升高,m相中的难熔元素含量都会明显增加;随着外加应力的增加,m相的析出量增加,压应力则相反.m相在析出的过程中会形成大量的面缺陷,这些缺陷会促进其它TCP相如P相和R相的形核.在高温低应力蠕变的过程中,镍基单晶高温合金中出现另一种重要的a010超位错,通过滑移和攀移相结合的方式在γ'相中缓慢运动.在超高温蠕变条件下,开始出现一个蠕变加速的孕育期,这与γ基体在超高温下不同程度的宽化有关.Ru的添加显著降低了合金的层错能,在低周疲劳的过程中可引起层错贯穿γ/γ'界面、a/6112Shockley拖后位错切入γ'相等复杂变形机制.在热机械疲劳的过程中,裂纹萌生的位置、微观结构的变化以及抗氧化性能都会影响镍基单晶高温合金的寿命.     

热力耦合对一种第四代镍基单晶高温合金1100℃蠕变组织演变的影响

以一种第四代镍基单晶高温合金为研究对象,采用变截面蠕变试样,在1100℃、43~96 MPa条件下进行200 h蠕变中断实验,利用SEM和TEM观察了微观组织演变规律,利用同步辐射高能XRD和EPMA分析了高温低应力条件下镍基单晶高温合金的蠕变组织演变。结果表明:随着应力的增大,镍基单晶高温合金的γ′相体积分数降低,筏化程度增大且筏排厚度下降,同时,γ相通道宽度逐渐增大,而γ/γ’两相界面位错网间距逐渐减小。固溶强化元素Re、Mo和Cr等在γ相中的富集导致γ/γ’两相错配度绝对值增大。蠕变过程中γ’相体积分数降低和γ’相筏排厚度减小显著降低了合金的强度。另外,位错在γ′相溶解所导致的弯曲相界处的塞积,使位错易于切入γ′相,也是镍基单晶高温合金室温硬度下降的重要原因。     

Re含量对DD15单晶高温合金显微组织和持久性能的影响

在定向凝固炉中制备了3种不同Re含量（5%,6%,7%,质量分数）、其它合金元素相同的第4代单晶高温合金DD15,将其完全热处理后在1100℃长期时效1000 h,在1100℃/137 MPa条件下测试合金的持久性能。研究了Re含量对DD15单晶高温合金组织稳定性和持久性能的影响。结果表明,随着Re含量增加,γ′相尺寸减小,其体积分数和立方化程度稍有增加,长期时效时γ′相粗化、筏排化速率和TCP相析出量增加,合金的组织稳定性降低。合金的持久性能随着Re含量增加而显著降低。3种断裂试样中均发现了TCP相,其含量随着Re含量增加而增多,这是合金持久性能随Re含量增加而降低的主要原因。γ/γ′相界面位错网密度随着Re含量增加而增加。Re元素在γ基体中有强烈的偏析倾向,分配比随Re含量增加而显著升高。随着Re含量增加,合金的晶格错配度向负方向增加。     

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。     

镍基单晶高温合金中γ/γ′元素分配行为的研究进展

本文总结了镍基单晶高温合金中γ/γ′元素的分配行为,单晶高温合金中Re、Cr、Co、Mo、Ru和W元素主要分布于γ相中,Al、Ta和Ti元素主要分布于γ′相中。同时,单晶高温合金中γ/γ′元素分配行为受到合金元素交互作用的影响,如Re、Cr和Mo元素的分配比随单晶高温合金中Re+Cr+Mo含量以及Ta+Ti含量的提高而增大,W元素的分配比随着单晶高温合金中Ta+Ti含量的提高而增大;Ru的添加使部分合金中出现了元素“逆分配”的现象,但Ru元素产生“逆分配”作用并非普遍现象;Ta元素的分配比随单晶高温合金中Ta-Al质量比的提高而显著降低。     

Ru对镍基单晶合金组织结构与蠕变行为的影响

通过对有/无Ru单晶镍基合金进行时效处理、蠕变性能测试及组织形貌观察,研究元素Ru对镍基单晶合金组织结构与蠕变行为的影响。结果表明:加入Ru使合金中元素Co由负偏析转为正偏析,热处理可大幅度降低元素在枝晶干/间的偏析程度。无Ru单晶镍基合金在1080℃时效期间沿{111}晶面析出富含难熔元素的针状μ相,而无Ru合金加入2%Ru(质量分数)后,可抑制合金中析出TCP相。与无Ru合金相比,2%Ru合金在980℃、200 MPa的蠕变寿命由123 h提高到333 h。合金在蠕变后期的变形机制是位错在基体中滑移和剪切筏状γ′相,其中,主、次滑移位错的交替开动,使其筏状γ′相转变成不规则的扭曲形态。与2%Ru合金相比,无Ru合金中析出大量的针状μ相,可促使裂纹的萌生和扩展,直到蠕变断裂,是使无Ru合金具有较低蠕变抗力和较短蠕变寿命的主要原因。     

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。     

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.     

热处理对4.5%Re单晶镍基合金高温蠕变行为的影响

通过对一种4.5%Re(质量分数)镍基单晶合金进行不同工艺热处理、蠕变性能测试及组织形貌观察,研究了固溶时间对该合金组织结构与高温蠕变行为的影响。结果表明:铸态合金中各元素存在较大的成分偏析,经高温长时间固溶及时效处理后,合金中各元素在枝晶间/臂的偏析程度明显降低;将固溶时间由10 h延长至24 h后,合金在1100℃、137 MPa的蠕变寿命由101 h提高至164 h;其中,10 h固溶处理合金中仍存在较大程度的元素偏析,并且在蠕变期间,析出针状TCP相。合金在高温蠕变期间的变形机制是位错在基体中滑移和剪切筏状γ′相;蠕变后期,大量位错剪切筏状γ′相,致使近断口区域的筏状γ′相扭曲,在筏状γ/γ′两相界面发生裂纹的萌生,并沿垂直于应力轴方向扩展,直至发生蠕变断裂。这是合金的高温蠕变断裂机制。     

含Mo单晶镍基合金的高温蠕变及损伤行为

通过蠕变性能测试及组织形貌观察,研究含3%和5%(质量分数)Mo无Re单晶镍基合金的高温蠕变和损伤行为。结果表明:与3%Mo单晶合金相比,5%Mo无Re单晶合金具有较好的蠕变抗力和较长的蠕变寿命,测定出5%Mo单晶合金在1040℃、137 MPa的蠕变寿命为556 h。在施加的温度和应力范围内,测定出合金在稳态蠕变期间的表观蠕变激活能Q=484.7 kJ/mol。合金在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;合金在蠕变较后阶段的变形机制是位错剪切进入筏状γ′相。随蠕变进行,位错的交替滑移致使合金中筏状γ′相发生扭曲,并在筏状γ′/γ两相界面发生裂纹的萌生和扩展,直至断裂,是合金在高温蠕变后期的损伤与断裂机制。     

Re和Ta对抗热腐蚀单晶高温合金900℃长期时效组织稳定性的影响

开展了不同Re和Ta含量抗热腐蚀单晶高温合金900℃长期时效的实验研究,定量分析了0～7500 h时效过程中γ′形貌、尺寸的演化和拓扑密排(TCP)相析出规律。结果表明,2Ta2Re、5Ta0Re、5Ta2Re、8Ta0Re和8Ta2Re 5种合金中,随Ta和Re含量增加,γ′相尺寸变小,且γ′相粗化速率变慢,粗化速率分别为:1.445×10-5、1.569×10-5、1.390×10-5、1.465×10-5和1.384×10-5μm3/h。提高Ta和Re的含量可以降低合金的有效扩散系数并增加扩散激活能,从而降低粗化速率,其中Re的作用更显著。时效2000 h后,含Re合金依次析出了TCP相,高Ta含Re合金析出较严重。Ta和Re交互作用影响了γ和γ′两相元素的分配行为,其中8Ta2Re合金Ta进入γ′相使其晶格常数变大的同时,也促进了Re、W、Cr等元素在γ基体中的分配,促进TCP相析出。     

Re和Ru对镍基单晶高温合金组织偏析的影响

通过对4种不同Re（3%—6%,质量分数,下同）和Ru（0%和3%）含量的镍基单晶高温合金铸态和热处理态组织的观察和成分分析,研究了Re和Ru对元素偏析以及热处理过程中组织演化的影响.结果表明,Re和Ru均会加剧铸态试样中的元素偏析,但经过固溶处理后,Ru对合金元素的残余偏析的影响不大.随着Re含量的增加和Ru的加入,热处理态组织中γ’相尺寸减小,形貌的立方程度明显增加.电子探针（EPMA）对成分的测量结果显示,Al,Ia和Ni偏析于γ;沉淀相,Re和Cr强烈地偏析于γ相,而Ru和W向γ相的偏析程度则相对较低.Re含量的增加明显增大了Re₁Cr,Co和W等元素向γ相的偏析,而Ru的加入则使得这些TCP相形成元素向γ相的偏析程度略有降低.     

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。     

镍基单晶高温合金在不同条件下的蠕变性能和组织演化(英文)

研究[001]取向的镍基单晶高温合金在不同测试条件下的蠕变性能,采用扫描电镜和透射电镜研究合金蠕变断裂后的γ′相、TCP相和位错组织演化特征。结果表明:合金具有良好的蠕变性能,蠕变曲线显示出两种不同的蠕变变形特征。在(760°C,600 MPa)、(850°C,550 MPa)条件下,蠕变第一阶段较长;在(980°C,250 MPa)、(1070°C,140 MPa)和(1100°C,120 MPa)条件下,蠕变第一阶段很短。蠕变断裂后,在(760°C,600 MPa)条件下γ′相形态变化不大;在(850°C,550 MPa)条件下γ′相已经合并长大;在(980°C,250 MPa)条件下基体γ被γ′相包围;在(1070°C,140 MPa)条件下基体γ不再连续;在(1100°C,120 MPa)条件下基体γ厚度进一步增加。在(760°C,600MPa)、(850°C,550 MPa)和(980°C,250 MPa)条件下合金无TCP相析出,而在(1070°C,140 MPa)和(1100°C,120MPa)条件下有针状TCP相析出。在低温高应力下,变形特征为位错包括层错的剪切机制;在高温低应力下为位错绕过机制,并在γ/γ′相界面形成位错网。     

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。