Ta对一种镍基单晶合金微观组织及蠕变机制的影响

利用螺旋选晶法制备不同Ta含量的镍基单晶合金,研究Ta对合金微观组织及蠕变机制的影响.结果表明:Ta改变了合金中γ '相的形貌,随着Ta含量的提高,γ’相由椭圆形向方形转变;Ta促进了Mo在γ基体中的溶解,增大了合金的错配度;Ta对镍基单晶合金的高温蠕变寿命有较大影响,随着Ta含量的提高,合金的蠕变寿命增加;Ta促进了γ/γ’界面的位错网的发展与完善,影响了蠕变变形过程中位错的运动方式.     

镍基单晶高温合金蠕变行为研究进展

从镍基单晶高温合金蠕变中γ'相定向粗化和筏化、蠕变各向异性、蠕变寿命预测及Re和Ru元素对蠕变性能的影响方面,综述了镍基单晶高温合金蠕变行为的研究进展,并对镍基单晶高温合金的发展方向进行了展望。     

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。     

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.     

镍含量对Co-8.8Al-9.8W基合金时效组织演变与γ′相溶解行为的影响

为了研究镍含量(5、15、25和35,at%)对Co-8.8Al-9.8W基高温合金时效组织演变及γ′强化相溶解行为的影响,运用SEM、XRD等对时效处理后合金的γ′相微观组织结构演变、γ′相相转变温度和显微硬度进行了研究。结果表明,Ni含量增加,γ′相溶解温度出现不同程度的提高,γ′相的体积分数也在逐渐增加。当Co-8.8Al-9.8W合金中Ni添加量为25%时,γ′强化相的溶解温度达到了1100℃。合金固相线温度和γ′相的形貌未发生明显变化。4种不同镍含量合金经900℃/50 h热处理后,基体均为典型的γ/γ′两相组织。经900℃/100 h热处理后,γ′相的体积分数出现不同程度的降低,且γ′相发生了明显的粗化。对4种合金900℃/50 h和900℃/100 h的显微硬度测量结果表明,当Ni含量由5%增加至15%时,其显微硬度升高;当Ni含量进一步增加时,合金的显微硬度却降低。合金的时效处理时间由50 h延长至100 h时,γ′相的体积分数减少并伴随着γ′相的粗化,导致Co-8.8Al-9.8W基合金的显微硬度降低。     

Effect of 950 oC Thermal Exposure on Microstructures and Properties of Ni-Based K403 Alloys

针对镍基铸造高温合金K403,在950℃高温下分别进行了5、50和100h的热暴露试验,研究热暴露对K403合金显微组织和室温力学性能的影响。结果表明:K403合金经高温热暴露后,晶内和晶界析出M6C碳化物,γ’相聚集长大且边角发生钝化,随热暴露时间的延长,出现γ’相边角钝化变成圆形或近圆形,部分γ’相发生定向相互连接粗化的现象和趋势;合金的名义屈服强度和抗拉强度随热暴露时间的延长而下降,而塑性则明显提高,导致合金强度下降塑性提高的主要原因之一则是γ’强化相的聚集粗化;热暴露前后,室温拉伸断口均为枝晶组织断裂,热暴露后的试样拉伸断面出现少量沿晶断裂特征和浅而小的韧窝,且存在韧窝的数量随热暴露时间的延长而增多。     

碳在镍基单晶高温合金中作用研究的进展

综述了碳对镍基单晶高温合金显微组织、缺陷、合金元素偏析行为、相稳定性以及拉伸性能、蠕变性能、疲劳性能等力学行为的影响及机理.总结得出,随碳含量增加,合金初熔点逐渐降低,合金中共晶数量和尺寸减少,一次碳化物逐渐增多.除W和Ta外,碳含量变化对其它合金元素的凝固偏析没有明显影响.随含碳量增大,合金蠕变寿命显著降低,最小蠕变速率增大.微量碳的添加提高疲劳寿命,屈服应力随含碳量增加而降低.比较并分析了碳对合金组织结构和力学性能的各种影响机制,并指出今后的研究方向.     

时效处理对镍基单晶高温合金显微组织和硬度的影响

针对不同γ′相体积分数(30%和60%)、经不同时间时效后(0、100、500和1000 h)的镍基单晶高温合金,利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、原子力显微镜(AFM),并结合纳米压痕试验研究了时效处理对镍基单晶高温合金微观结构和硬度的影响。结果表明,随着时效时间的增加,合金γ′相尺寸逐渐增大。γ′相体积分数为30%和60%的合金中γ′相的形态分别为球形和立方形,γ′相的形态并未随着时效时间增加而发生明显变化;同时,由于60%γ′相体积分数的合金难熔元素含量较高,在时效处理过程中产生了TCP相。时效后,两种沉淀体积分数的合金都呈现出显著的硬化效应,分析认为γ′相强化机制未发生转变。合金在压痕周围的堆积高度随着时效处理时间的增加逐渐增高,而堆积影响的范围逐渐减小。     

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。     

Effects of W Concentration on Creep Microstructure and Property of Novel Co-Based SuperalloysEI北大核心CSCD

以γ’相强化的Co-Al-W高温合金(Co-9Al-xW,x=8、9、10，原子分数，%)为研究对象，耦合CALPHAD和晶体塑性本构关系，建立了高温加载时微观组织演化的三元弹塑性相场模型，考察了W含量对蠕变过程中γ’相演化行为和蠕变性能的影响。结果表明，随W含量增加，γ’相体积分数增加，γ基体塑性变形降低，筏化形成并提前，导致蠕变性能提高。不变矩分析表明，9W和10W合金中筏组织形成是出现稳态蠕变阶段的主要原因。应力/应变分析表明，高W合金γ基体中较大的错配应力减小了塑性变形。     

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。     

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。     

含Ta低Cr高W铸造镍基高温合金中α相的形成与转变

研究了不同含Ta量低Cr高W铸造镍基高温合金的铸态和1 100℃保温500 h、1 280℃保温20 min～3h热处理后的显微组织以及1 100℃,118 MPa条件下的持久性能.结果表明:低Cr高W铸造镍基高温合金中添加元素Ta会使共晶γ'相的数量显著增加.当(Ti Nb)含量恒定在2.1%(摩尔分数),(Ta Al)含量达14.4%(摩尔分数)时,合金凝固后期将形成α(W,Mo) γ'共晶;少量α相不会明显降低合金的持久性能,但α相在高于1 260℃下固溶处理或在1 100℃长时热暴露时是不稳定的,它会溶解或转变成块状M6C,从而损伤合金的高温持久性能;Ta是一种有利于提高高温合金高温强度的元素,但Ta含量应与合金中的Al含量相适应,须按等摩尔分数原则相互替换;具有Ni-10Co-1.5Cr-16W-2Mo-1Nb-5Al-4Ta成分的合金性能最佳.     

Ni对Co-Al-W基合金时效组织演变和γ′相溶解行为的影响

以4种不同Ni含量(15%~45%,原子分数)的新型γ′相强化Co-Al-W基合金为研究对象,通过时效与高温热处理显微组织分析以及显微硬度测试,研究了Ni对相转变温度、γ/γ′两相组织演变、γ′相高温溶解行为和显微硬度的影响.结果表明:随着Ni含量的增加,γ′相溶解温度升高,固相线温度未发生明显变化.4种合金经900℃,50 h热处理后,基体均为γ/γ′两相组织;随着Ni含量的增加,γ′相形貌由立方形逐渐向近似球形转变,γ′相体积分数不断降低.经300 h长时间热处理后,合金的γ′相形貌没有明显改变,γ′相体积分数出现不同程度的降低.对900℃,300 h热处理的合金进行970~1060℃高温处理后,γ′相体积分数随着热处理温度的升高而逐渐减少,并最终全部溶解而消失;低Ni含量(15%和25%)合金和高Ni含量(35%和45%)合金的γ′相形貌分别转变为球形和立方形.900℃,50 h和300 h显微硬度测试结果表明:随着Ni含量的增加,合金的硬度降低;热处理时间的延长使合金的硬度小幅增加.     

Co对镍基高温合金热强性能影响的研究

本文以Udimet500合金为基,研究了不同Co含量对镍基高温合金的蠕变速率、蠕变激活能、持久性能及组织结构的影响。结果表明:在780—860℃范围内,稳态蠕变速率以10—15%Co的合金为好,持久断裂时间在15%Co时出现峰值。无Co合金有单一蠕变激活能值,含Co合金有两个蠕变激活能值,激活能转变温度随Co含量增加而提高。Co主要固溶在基体中,γ′相数量随Co含量变化较小;Co有抑制γ′相长大的作用。综合实验结果,提出了Udimet 500型合金降低Co含量的可能性。     

EFFECT OF Co ON HIGH-TEMPERATURE STRENGTH OF γ'-PRECIPITATED Ni-BASE ALLOYS

本文以Udimet500合金为基,研究了不同Co含量对镍基高温合金的蠕变速率、蠕变激活能、持久性能及组织结构的影响。结果表明:在780—860℃范围内,稳态蠕变速率以10—15％Co的合金为好,持久断裂时间在15％Co时出现峰值。无Co合金有单一蠕变激活能值,含Co合金有两个蠕变激活能值,激活能转变温度随Co含量增加而提高。Co主要固溶在基体中,γ′相数量随Co含量变化较小;Co有抑制γ′相长大的作用。综合实验结果,提出了Udimet 500型合金降低Co含量的可能性。     

EFFECT OF VOLUME FRACTION AND SIZE OF FINE γ' ON CREEP STRENGTH OF A DS NICKEL-BASE SUPERALLOY

本文研究了定向凝固K3镍基高温合金的蠕变强度与细小γ′粒子的数置和尺寸的关系。实验结果证明,随着固溶温度升高,铸态粗大γ′逐步溶解并在随后冷却过程重新析出均匀细小正方形的γ′粒子。细小γ′体积分数(v_f)和尺寸(α)都随固溶温度的升高而增大,当固溶温度从1100℃升至1230℃,v_f从0.25增至0.63,α从0.10μm增至0.32μm。随着固溶温度的升高,第二阶段蠕变速率降低,持久寿命延长,大幅度提高合金的蠕变性能。适当的高温固溶加时效处理(如1210—1230℃,4h+900℃,32h)可提高定向凝固合金的中温(760℃,73.8kgf/mm~2)持久寿命10倍左右。 合金的中温蠕变性能取决于细小γ′的体积分数(v_f),尺寸(α)及其间距(λ),在固定温度和应力下,第二阶段蠕变速率((?))与它们之间符合以下关系。 (?)∝ λ~2/α或(?)∝ α/v_f~(2/3)(1-v_f~(1/3))~2 用透射电镜观察了合金三个蠕变阶段位错亚结构的变化,据此提出蠕变的位错模型和合金的强化机制,并导出第二阶段蠕变速率与γ′体积分数、尺寸和间距之间的关系式,与实验结果完全符合。     

细小γ′粒子的数量和尺寸对提高定向凝固高强度镍基高温合金蠕变强度的作用

本文研究了定向凝固K3镍基高温合金的蠕变强度与细小γ′粒子的数置和尺寸的关系。实验结果证明,随着固溶温度升高,铸态粗大γ′逐步溶解并在随后冷却过程重新析出均匀细小正方形的γ′粒子。细小γ′体积分数(v_f)和尺寸(α)都随固溶温度的升高而增大,当固溶温度从1100℃升至1230℃,v_f从0.25增至0.63,α从0.10μm增至0.32μm。随着固溶温度的升高,第二阶段蠕变速率降低,持久寿命延长,大幅度提高合金的蠕变性能。适当的高温固溶加时效处理(如1210—1230℃,4h 900℃,32h)可提高定向凝固合金的中温(760℃,73.8kgf/mm~2)持久寿命10倍左右。合金的中温蠕变性能取决于细小γ′的体积分数(v_f),尺寸(α)及其间距(λ),在固定温度和应力下,第二阶段蠕变速率((?))与它们之间符合以下关系。 (?)∝λ~2/α或(?)∝α/v_f~(2/3)(1-v_f~(1/3))~2 用透射电镜观察了合金三个蠕变阶段位错亚结构的变化,据此提出蠕变的位错模型和合金的强化机制,并导出第二阶段蠕变速率与γ′体积分数、尺寸和间距之间的关系式,与实验结果完全符合。     

单晶镍基高温合金超高温蠕变期间的变形机制

通过蠕变性能测试及组织形貌观察,研究了6％Re-5％Ru(质量分数)单晶镍基高温合金的超高温蠕变行为和变形机制.结果 表明,该合金在1160℃/120 MPa条件下的蠕变寿命为206 h.稳态蠕变期间,位错在基体中滑移和攀移越过筏状γ'相是合金的变形特征,基体中溶解的高浓度难熔元素可增加位错运动阻力.蠕变后期,切入筏状...