γ'相对镍基高温合金强度、疲劳与蠕变性能影响的研究进展

独特的γ'相使镍基高温合金具有良好的疲劳和蠕变性能,在航空航天和高参数发电等领域具有广阔的应用前景。从γ'相的尺寸、含量和位错强化方面介绍了γ'相对镍基高温合金强化行为的影响以及位错与析出相交互作用的剪切、Orowan绕过和攀移等强化机制,阐述了γ'相对镍基高温合金疲劳和蠕变性能的影响。最后,对镍基高温合金中γ'相的优化及相关性能调控进行了展望。

二次γ'相演化对DD6单晶高温合金蠕变性能的影响

采用FESEM和TEM研究二次γ'相演化对DD6单晶高温合金760℃/785 MPa和980℃/250 MPa蠕变性能的影响。结果表明:标准热处理的DD6合金经1120℃/4 h/AC处理,基体通道内析出二次γ'相。760℃/785 MPa蠕变时,基体通道内的二次γ'相在蠕变初期阻碍a/2〈011〉位错在基体通道内运动,促进{111}〈112〉滑移在一次γ'相开动,从而缩短孕育期时间,显著增加蠕变第一阶段应变和蠕变速率。980℃/250 MPa蠕变时,基体通道内的二次γ'相在蠕变初期快速回溶,二次γ'相对980℃/250 MPa蠕变行为基本没有影响。

FGH95镍基合金的相组成及γ'相的粒度分布

为了研究FGH95合金的相组成及γ'相的粒度分布,采用电解萃取方法提取热处理态FGH95合金中的γ'相,测定γ'相的相组成结构式;通过XRD曲线测定γ'、γ相的晶格常数及错配度,对萃取的合金中γ'相粉末进行小角度衍射,测定出γ'相的粒度分布.结果表明,经1 140℃固溶和时效处理后,合金的组织结构由γ'相(质量分数约为47.8%)、γ相(质量分数约为51.2%)、(Nb,Ti)C、(Nb,W)B2、Nb3B2和Cr23C6等碳、硼化物(质量分数约为1%)组成,γ'相的结构组成式为(Ni0.896Co0.055Cr0.017Fe0.031)3(Ti0.224Nb0.134Al0.473Mo0.038W0.066Cr0.064),其中,在36～60 nm和60～96nm尺寸范围内的γ'相粒子质量分数分别为30.6%和29.1%,且细小γ'相在晶内弥散分布,而粗大γ'相分布于较宽的颗粒边界区域,并进一步测算出合金中γ'、γ两相的晶格常数分别为0.359 86nm和0.359 12 nm,晶格错配度为0.205 8%.

一种高温合金的γ'相析出初期长大动力学

研究了合金在不同处理制度下组织状态及γ＇相析出初期的长大规律．结果表明，析出初期与（ｔ１／２）成线性关系，合金ｋγ＇相的长大速度为２．８２×１０９×ｅｘｐ（－２０．３×１０３／Ｔ），合金中Ａｌ、Ｔｉ的平均扩散激活能为３４７ｋＪ／ｍｏｌ．

长期时效对不同固溶处理喷射成形FGH100L合金组织中γ'相的影响

对喷射成形镍基高温合金FGH100L分别进行亚固溶和过固溶热处理,采用扫描电镜研究了长期时效对合金中γ′相尺寸和形貌的影响。结果表明:亚固溶热处理合金中有四种尺寸的γ′相,在长期时效过程中,一次、二次和大三次γ'相尺寸均有明显增长,小三次γ'相尺寸略有减小,四种γ'相长大规律均不符合Lifshitz,Slyozov和Wagner(LWS)粗化模型。一次γ'相、二次γ'相和大三次γ'相出现相似的分裂现象,二次γ'相在时效500 h后出现不稳定生长现象,合金中无拓扑密排(TCP)相析出。过固溶热处理合金中有三种尺寸的γ′相,在长期时效过程中,一次γ'相尺寸略有增长,二次γ'相和三次γ'相尺寸并没有明显变化,三种γ'相长大规律均不符合LSW粗化模型。一次γ'相和三次γ'相形貌基本不变,二次γ'相处于正在分裂状态,没有完全分裂,合金中无TCP相析出。过固溶热处理合金的γ'相尺寸和形貌变化比亚固溶热处理合金小,前者组织稳定性更高。

一种高γ'相含量GH4151高温合金铸锭的开裂机制

研究GH4151铸态高温合金裂纹形成基本机理。通过对裂纹特征的分析,确定其开裂机理为冷却过程中形成的冷裂纹。冷裂纹的形成与严重的偏析、复杂的析出相和γ'相分布的不均匀性密切相关。冷却过程中,由于不同析出相线性收缩系数的不同,在析出相周围会产生裂纹。提出一种控制残余应力、γ'相大小和形态的退火工艺。退火处理发挥很大作用,通过降低温度梯度减小残余应力以及控制γ'相的尺寸分布,从而减少析出相周围的应变集中。

基于KKS模型Ni-Al合金γ'相粗化行为的三维相场研究

基于CALPHAD热力学数据,采用KKS相场模型模拟了Ni-Al高温合金γ'相的三维析出行为。结果表明,γ'相粗化行为符合LSW理论结果,粗化动力学指数为3,粗化速率常数K=23.4 nm^3/h,γ'相的体积分数为32%。弹性畸变能和有序畴的作用导致了γ'相颗粒的条状形貌和规则排列。

单晶镍基合金蠕变期间γ'相筏形化的扩散规律

通过计算合金元素的扩散迁移率和EDAX分分析,研究了γ'相筏形化过程中元素的扩散规律.结果表明:分配比值大的合金元素,扩散迁移率较大;分配比值小的合金元素,扩散迁移率较小.由于W元素具有较大的原子半径,较小的分配比值和扩散系数,因而相对稳定.所以W元素可阻碍其它元素的扩散速率,随其含量的增加,合金中γ'相筏形化时间延长.

热处理工艺对U720LI合金中γ'相析出的影响

研究了连续冷却过程中的中断淬火和时效处理对于U720LI高温合金中γ'相析出规律的影响.结果表明,该合金自1175℃快冷(800℃/min)至室温时,组织中仍有非常细小的一次γ'相析出;而当合金自1175℃缓慢冷却(55℃/min)至1010℃以下温度再中断快冷至室温时,合金中会发生多次析出,形成不同尺寸的γ'相.对于快冷试样,时效后发现有更细小的γ'相析出,析出相的平均尺寸将减小;而对于先缓冷再中断快冷的试样,时效后没有明显的细小γ'相析出,析出相的平均尺寸将增大.

MCrAlY涂层对单晶中γ'相消耗及TCP相生成影响的模拟研究

高温下,MCrAlY涂层与高温合金单晶基材之间会发生元素互扩散,引起显微组织结构变化,往往造成单晶中具有析出强化作用的γ'相的消耗和对力学性能有害的拓扑密堆(Topological closed packed, TCP)相的生成。本研究采用扩散模拟计算的方法,设计了6种MCrAlY模型涂层,分析Co、Cr、Al主元素对DD6单晶基材显微组织的影响规律。研究结果表明,基材中γ'相消耗区在靠近涂层-基材界面处形成,该区的形成主要与Co、Cr元素内扩散相关。基材中TCP相则在更深位置的γ'相富集区内生成,γ'相富集区与Al元素内扩散有关。另外,本文着重分析了涂层成分对γ'相消耗区深度及TCP相生成含量与深度的影响。

应力诱发析出细小γ'相及其热力学分析

对[001]取向单晶镍基合金进行高温持久和室温瞬时拉伸性能测试后,进行TEM观察及相平衡热力学分析.结果表明:形变过程中的外加应力使合金元素在γ基体相中的溶解度发生变化;拉伸应力使元素Al和Ta的溶解度降低,过饱和的Al和Ta发生偏聚,可形成细小γ'相自基体中析出.

固溶温度对GH4742合金力学性能及γ'相的影响

采用EBSD、SEM等手段研究了固溶温度对GH4742合金的微观亚结构、力学性能和γ’相的影响。结果表明,固溶温度为1080℃~1120℃时,随着固溶温度的提高基体发生静态再结晶的比例提高,小角度晶界的比例由13.2%降低为3.2%;同时,晶粒显著粗化,平均晶粒尺寸由11.0μm增大到111.6μm,Σ3孪晶界的比例由13.2%提高到58.6%。随着固溶温度的提高,基体内一次γ’相的体积分数显著降低、尺寸增大,二次γ’相的体积分数和尺寸增加,三次γ’相的体积分数和尺寸变化较小。在不同固溶温度下γ’相强化增量的变化较小,晶粒粗化是导致其强度降低的主要因素。随着固溶温度的提高GH4742合金的室温强度显著降低,而高温强度提高和持久断裂时间显著增加。固溶温度为1100℃时,GH4742合金的室温和高温力学性能良好。

固溶冷却速度和后处理对新型FGH98Ⅰ镍基粉末高温合金γ'相析出和显微硬度的影响

对新型镍基粉末高温合金FGH98Ⅰ分别进行过固溶和过固溶+亚固溶后处理,利用场发射扫描电镜和显微硬度仪研究了冷却速度对合金γ′相析出和显微硬度的影响。结果表明:随着固溶冷却速度增加,合金中二次和三次γ′相的尺寸减小,二次γ′相形状从蝶形向球形转变,γ′相的形状因子和颗粒密度增大,面积分数和晶界表观宽度减小。在冷却速度≤1.4℃/s时,冷却γ′相分两阶段形核;冷速越快,合金的硬度越高,时效后硬度增高越多;过固溶处理后的亚固溶处理使冷却γ′相粗化和方形化,形状因子减小,晶界γ′相析出密集区消失,硬度降低。另外,还建立了冷速与γ′相平均尺寸和合金硬度之间的函数关系式。该结果为FGH98Ⅰ合金实际双性能盘固溶热处理工艺的选择提供了理论参考。

时效热处理对GH99中强化相γ'相的影响

采用透射电镜(TEM)和扫描电镜(SEM)分析了不同时效热处理制度下镍基GH99高温合金中γ'相的尺寸、形貌变化,采用维氏硬度计测试不同时效热处理制度下的合金硬度。结果表明:γ'相随着时效温度的升高和保温时间的延长而明显粗化,其粗化符合沉淀相粗化理论(LSW理论);随着γ'相的不断长大,部分γ'相的形貌由球形转变为立方形。经计算得到γ'相长大激活能约为248.8 k J/mol。此外发现硬度随γ'相尺寸的增大而逐渐增大,但当γ'相尺寸超过37.2 nm时,硬度随γ'相长大呈下降趋势,在750℃时得到合金的最大硬度为395.16 HV。

镍基高温合金γ'相粗化的三维相场法研究进展

镍基高温合金以其优异的抗疲劳性能、韧性、高温蠕变强度、表面稳定性、抗氧化和抗热腐蚀性能,在航空航天领域引起了广泛的关注。γ'相为Ni3X结构的有序沉淀相,是镍基高温合金最主要的强化相,其粗化行为显著影响着镍基高温合金的高温性能,因而近年来投入了大量的人力物力对γ'相粗化行为进行研究。由于实验二维视场的尺寸限制,对γ'相粗化行为的三维相场法研究发展迅速。在对相场法界面模型及其本质进行阐述的基础上,综述了近年来国内外对镍基高温合金γ'相粗化行为的三维相场法研究结果,并指出了材料科学家们通过实验方法对镍基高温合金进行三维研究的不懈努力,为进一步利用三维相场法研究γ'相粗化行为提供参考,以不断优化镍基高温合金实验参数,减少实验的重复,节约经费和时间。同时,展望了三维相场法研究镍基高温合金的研究方向。

γ'相对U720Li合金热变形行为的影响

为了降低U720Li镍基合金锻造强度,通过改变γ'相的组织形态和析出数量的方法,研究1130℃下保温10、20和30 h后γ'相的析出形态、体积分数和显微硬度的影响,并对其进行1100～1170℃,变形速率1.0 s-1和50%变形量的热变形。结果表明,当保温30 h后,合金中γ'相形貌由方形向圆形转变,γ'相尺寸长大,体积含量最小,具有较小的流变应力。在1130℃保温30 h条件下,当变形温度低于1150℃时,析出的γ'相数量越多,对位错的阻碍作用越强烈,流变抗力越大;当变形温度超过1150℃时,合金中γ'相溶解,此时变形温度越高,合金的流变抗力越低。同时在较低温度下变形,因γ'相对晶界迁移的阻碍作用,再结晶晶粒尺寸较小,而在高温下变形再结晶晶粒长大,温度越高,再结晶晶粒越大。

Fe-Ni基合金时效过程中γ'相析出的原子探针层析技术研究

将一种Fe-Ni基沉淀强化奥氏体合金在980℃固溶后水淬,在620℃经过不同时间时效。利用硬度测试及原子探针层析技术(APT)研究时效过程中g'相的析出行为及其对材料硬度的影响。结果表明,当时效时间小于6 h时,合金硬度增加较快,由时效前的145 HV迅速增加至205 HV,随后硬度增加速率缓慢;时效120 h时,硬度为251 HV。APT结果表明,合金经固溶处理后,合金元素均匀分布在基体中。在时效最初阶段,Ti发生了较为明显的偏聚,形成含有Fe、Ni和Al等元素的富Ti纳米团簇。随着时效时间延长,富Ti纳米团簇中的Ni和Al原子的含量逐步增多,而Fe、Cr及Mo等原子的含量不断减少;当时效至120 h时,团簇中Ni与Ti+Al比值近似于3,即已完全形成g'相,表明g'相析出是形核-长大过程。合金硬度的变化与时效过程中g'相的数量密度和体积分数有关。

GH720Li合金γ'相回溶过程对后续析出的遗传影响

研究GH720Li合金γ'相回溶过程并模拟Al+Ti含量以及Ti/Al比对γ'相后续冷却析出的影响。γ'相的冷却析出与γ'相回溶及回溶后Al、Ti元素的扩散动力学过程有关。保温时间延长与固溶温度升高使γ'冷却析出相尺寸减小;不同冷速下,γ'析出相尺寸、形状与分布不同。TTT与CCT曲线中,随着Al+Ti含量的增加,不同冷速下的γ'相析出温度升高且相对应的析出时间提前。水冷乃至冷却速率高达1000℃/min时,无法抑制γ'相冷却析出。Ti/Al比的变化对γ'相的析出基本无影响。

晶界一次γ'相对GH4720Li合金晶粒长大行为的影响

对锻态GH4720Li合金进行了不同温度与时间的等温热处理,定量分析了其晶粒尺寸、强化相体积分数与尺寸,研究了1050~1160℃加热时锻态GH4720Li合金晶界一次γ'相的溶解与晶粒长大规律,分析了晶界一次γ'相对合金晶粒长大行为的影响。结果表明:当晶界一次γ'相的尺寸小于3.5μm时,其对晶界的钉扎作用减弱,合金的晶粒尺寸发生明显的长大。而当加热温度高于1150℃时,由于强化相的大量溶解,晶粒发生异常长大。从动力学角度分析了晶界处不同尺寸一次γ'相的合金的晶粒长大规律,随后采用Arrhenius型方程建立了表征GH4720Li合金晶粒长大行为的动力学模型,并对模型的预测精度进行了评价。

γ'相的形貌对Ni-Co基高温合金Portevin-Le Chatelier效应的影响

通过不同的热处理工艺制备含花状、球状、立方状γ'相的Ni-Co基变形高温合金,研究了γ'相的形貌对其PLC效应的影响。结果表明:合金的PLC效应与γ'相的形貌有关。球状形貌的g'相使合金的应力跌幅较大,花状和立方状形貌的γ'相使合金更快完成从正常PLC到反常PLC的转变。合金在中低温(400℃、500℃)拉伸时位错易塞积在复杂形貌(花状和立方)的g'相周围,合金的变形机制以形成层错或微孪晶为主;而在球状形貌γ'相的周围位错塞积较少,合金的变形机制则以位错滑移为主。