W含量对单晶镍基合金组织与性能的影响

通过对两种成分单晶镍基合金进行蠕变曲线测定,长期时效处理及组织形貌观察,研究了元素W含量对单晶合金组织与性能的影响。结果表明:在N i-A l-Cr-Ta-Co-x%W-5.5%Mo系单晶合金中,4wt%W合金在982℃,200MPa条件下,具有较长的蠕变寿命,随W含量增加到6wt%,合金的蠕变寿命明显降低。高W合金在有/无应力时效期间,析出针状μ相,使合金基体出现难溶元素的贫化区,是导致合金蠕变寿命降低的主要原因。其中μ相在(001)晶面沿<110>方向呈相互平行、或垂直的针状形貌析出,沿{111}晶面呈片状方式生长,且与γ′相相邻。

一种单晶镍基合金蠕变期间γ'相的定向粗化机制

对[001]取向单晶镍基合金恒载拉伸蠕变不同阶段的组织形貌进行了SEM，TEM观察和EDAX成分分析，研究了γ＇相定向粗化过程及机理结果表明：蠕变初期，两相邻γ＇相呈侧平面对接方式，沿垂直于应力轴方向定向生长为类似筛网的核状组织，外加应力使γ＇／γ界面共格应变减少，应变能降低，释放的能量是促使合金元素定向扩散形成筏状γ＇结构的驱动力．

一种单晶镍基合金蠕变初期的位错组态

利用TEM研究了单晶镍基合金平行于应力轴的（100）晶面拉伸蠕变初期的位错组态，表明：形变特征是位错在γ相八面体滑移系中运动．在基体通道中，1／2＜110＞型位错运动相遇，发生反应而增殖；由于（100）晶面的基体通道受压应力，位错运动阻力大，密度小，位错运动多以交滑移和Orowan弓入方式进行；当受拉应力通道中弓出的位错环经交滑移进入压应力通道后，入口两侧被打扎，位错可定向弓入成为形貌类似于双端F-R源的位错组态．

Re及温度对单晶镍基合金晶格常数及错配度的影响

通过对不同状态及不同Re含量单晶镍基合金进行高、低温X射线衍射谱线测定及组织形貌观察,研究Re含量及温度对单晶镍基合金中γ、γ′两相晶格常数及错配度的影响。结果表明:铸态合金中γ、γ′两相有较大的晶格常数及错配度;经完全热处理后,立方γ′相以共格方式嵌镶在γ基体中,合金中两相的晶格常数及错配度略有减小;长期时效使γ′相粗化后,两相之间出现界面位错,使合金中两相的晶格常数及错配度绝对值增加。随Re含量增加,合金中γ、γ′两相在室温的晶格常数增大,错配度的绝对值减小。与γ′相相比,γ基体相有较大的膨胀系数,因此,随温度提高,合金中两相晶格错配度的绝对值增大。

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。

一种单晶镍基合金蠕变期间位错网的形成与作用

对[001]取向单晶镍基合金的恒温拉伸蠕变组织形貌的TEM观察表明，蠕变初期，基体γ相八面体滑移系中两组1／2＜110＞位错运动至同一晶面相遇，发生反应形成三维节点的位错网络；稳态期间，基体中运动位错可通过界面位错网攀移越过筏状γ相；

单晶镍基合金的热处理及对蠕变性能的影响

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含Re单晶镍基合金蠕变性能的影响。结果表明:铸态合金组织中存在明显的成分偏析,其中元素Cr,Co,Re富集于枝晶干,元素Al,Ta,W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1320℃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,降低合金的枝晶干/间成分偏析,并抑制合金中TCP相的析出,可显著提高合金的蠕变抗力。与1300℃固溶处理相比较,合金经1320℃高温固溶处理后,其在1072℃,137MPa条件下的蠕变寿命由37h提高到230h。

单晶镍基合金拉伸蠕变期间γ′相定向粗化的特征及影响因素

对 [0 0 1 ]取向单晶镍基合金恒载拉伸蠕变的组织形貌进行 SEM观察和 EDAX成分分析 ,研究了 γ′相定向粗化特征及影响因素。结果表明 ,由于应力场和温度场的差别 ,蠕变样品不同位置处筏状 γ′相粗化尺寸及特征不同 ,近断口处筏状 γ′相扭曲且粗化加剧 ,随离断口距离增加 ,γ′相粗化程度减弱 ;在γ′相定向粗化的扩散场中 ,分配比值较小且相对稳定的元素 W可成为其他元素的扩散障碍 ,使合金 2中 γ′相的形筏时间明显延长。

单晶镍基合金高温压缩蠕变的微观特征

利用ＴＥＭ对［００１］取向单晶镍基合金高温压缩蠕变行为的研究表明：γ’相沿应力轴方向形成筏状后，形变机制是＜１１０＞超位错切入筏状γ’相，（１／３）＜１１２＞超Ｓｈｏｃｋｌｅｙ不全位错来自于［１０１］超位错的分解领先和拖曳的超Ｓｈｏｃｋｌｅｙ不全位错形成的位错环阻碍了［１０１］超位错的继续扩展。

一种含Re单晶镍基合金的高温蠕变行为

通过测定蠕变曲线及位错运动的内摩擦应力(σ0),研究了一种含Re单晶镍基合金的蠕变行为,并计算出稳态蠕变期间的表观蠕变激活能及应力指数。结果表明:在稳态蠕变期间位错运动的内摩擦应力(σ0),随外加应力的提高略有提高,随温度的升高而明显降低。在蠕变初期,γ′相沿垂直于应力轴方向形成N型筏状结构,随蠕变进行,筏状γ′相发生粗化,且距离断口越近,筏状γ′相粗化及扭曲程度越严重,其中,由于颈缩使样品近断口区域承受最大有效应力,是使筏状γ′相粗化及扭曲加剧的主要原因。蠕变后期,合金的变形机制是位错剪切筏状γ′相。

单晶镍基合金蠕变期间γ＇相的定向生长及影响因素

通过测算不同成分Ni-Cr-Co-W-Mo-Al-Ta系单晶合金在蠕变期间元素扩散的迁移率和γ′相定向粗化速率,研究了元素之间相互作用对扩散速率及γ′相定向粗化速率的影响。结果表明:在γ′相定向粗化期间,合金中γ′相的筏形化速率随成分和应力不同而变化,且γ′相筏形化时间随施加应力的提高而缩短,其中,元素扩散及γ′相定向粗化的驱动力与施加应力及弹性模量相关。元素之间的相互作用对元素Al的扩散速率有影响,随合金中难熔元素Ta+Mo总含量及Ta/W的比值增加,可提高Al的扩散激活能,降低Al的扩散速率,延长γ′相的筏形化时间。在γ′相定向筏化的扩散场中,由原子偏聚形成有序相是自由能降低的自发过程,其中较大半径的Al、Ta原子迁移至{100}晶面,可形成异类原子结合键及稳定的原子堆垛方式,是形成Ll2结构γ′有序相的主要原因。

一种含4.5%Re/3.0%Ru的单晶镍基合金的高温蠕变行为

通过对含4.5%Re/3.0%Ru单晶镍基合金进行高温蠕变性能测试,并采用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)对不同蠕变期间的试样进行组织形貌观察,研究了该合金的高温蠕变行为。结果表明,本实验所选用的单晶合金在高温蠕变期间具有良好的蠕变抗力,在1040℃/160MPa的蠕变寿命达到725h。高温蠕变初期,合金中γ′相沿垂直于应力轴方向转变成筏状结构,其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。高温蠕变后期,合金的变形机制是位错在基体中滑移和剪切筏状γ′相。位错的交替滑移使筏形γ′相扭曲,并在γ/γ′两相界面发生裂纹的萌生与扩展直至断裂,是合金在高温蠕变后期的断裂机制。

一种单晶镍基合金热处理期间的组织演化与分析

通过对一种单晶镍基合金的差热曲线分析和不同条件热处理后的组织形貌观察,结合有限元分析,研究了合金中γ′相在热处理期间的组织演化规律。结果表明:实验用合金的热处理‘窗口’是48℃,在1300℃γ′相有最大的溶解速度,1040℃析出的γ′相最为稳定;确定出该合金的热处理工艺为1280℃,4h,AC+1300℃,4h,AC+1040℃,4h,AC+870℃,24h,AC。一次时效期间,在界面能和共格应变能的作用下,γ′相长大呈立方体形貌;二次时效期间,γ′相略有长大,立方度增加,排列更加规则。其中,时效期间,共格界面的γ′相按“台阶机制”优先沿〈100〉取向扩散生长呈立方体形貌,而晶格错配应力的对称分布是使立方γ′相得以稳定存在的主要原因。

一种单晶镍基合金压缩蠕变期间γ′相的定向粗化

对［001］取向单晶镍基合金恒温恒载压缩蠕变不同时间的组织形貌进行SEM和TEM观察表明：蠕变初期，两立方γ′相沿平行于应力轴方向扩散相连定向生长成为条形筏结构；垂直通道中基体[001］晶向共格应变量减小，应变能降低是合金元素定向扩散形成γ′相筏结构的驱动力；压缩与拉伸蠕变相比较，γ′相形筏所需要的时间较长。

一种单晶镍基合金热处理制度的研究

通过对一种单晶镍基合金的差热曲线分析和不同条件热处理后的组织形貌观察，制定合金热处理工艺，并研究了热处理期间γ′相的组织演化规律．结果表明，实验用合金的热处理“窗口”是1272～1320℃，在1300℃时，γ′相有最大的溶解速度，1040℃析出的γ′相最为稳定，在该温度时效50h后。γ′相长大，且呈球状和条状形貌，γ′/γ两相之间出现界面位错．因此，确定出该合金的热处理工艺为1280℃，4h,A．C＋1300℃，4h，A．C＋1040℃，4h，A．C＋870℃，24h。A．C．一次时效促使γ′相长大呈立方体形貌；二次时效期间，γ′相略有长大，立方度增加，排列更加规则．

基于粘塑性的单晶镍基合金晶体学本构模型

单晶镍基合金在涡轮叶片上得到越来越广泛地应用,对单晶材料本构模型的研究也在不断地深入。本文运用晶体学理论,结合现象学的统一本构模型的优点,进行了单晶镍基合金的本构建模,模型基于晶体学滑移理论,在单晶八面体12个滑移系和立方体6个滑移系的微观水平上建立粘塑性流动方程和硬化方程,该方程采用粘塑性统一本构方程的一般形式。建模过程表明晶体模型物理意义更明确,计算结果则表明模型是准确的。

一种含4.2%Re单晶镍基合金在蠕变期间的组织演化与变形特征(英文)

通过组织形貌观察及蠕变曲线测定,研究了一种含Re镍基单晶合金的高温蠕变行为。结果表明:含4.2%Re单晶合金在1060-1100℃温度区间具有较好的承温能力,但表现出较强的施加应力敏感性。经高温蠕变断裂后,在试样不同区域γ′相具有不同的组织形貌,在远离断口区域γ′相形成的筏状组织与施加应力轴方向垂直,而在近断口区域,筏状γ′相的粗化及扭曲程度的增大为该区域发生较大塑性变形所致。在蠕变后期,合金的变形机制是迹线方向为[011]和[011]的滑移位错切入筏状γ′相,主、次滑移系交替开动,使筏状γ′相发生扭折形成不规则的扭曲形态,直至发生断裂是合金的蠕变断裂机制。

Re对单晶镍基合金蠕变行为的影响

通过对有Re和无Re单晶镍基合金进行蠕变性能测定,结合组织形貌观察,研究了Re对单晶镍基合金蠕变行为的影响。结果表明,Re可有效提高合金的高温蠕变抗力,与无Re单晶合金相比较,加入2%的Re后,可使合金在高温低应力条件下的蠕变寿命有较大幅度的提高,计算出2%的Re合金在稳态蠕变期间的蠕变激活能Q=478.6kJ/mol,应力指数n=5.1。合金在蠕变初期的变形特征是(1/2)<110>位错在基体通道中滑移,运动位错相遇发生位错反应,在γ、γ′两相界面处形成位错网,可提高合金的蠕变抗力。蠕变后期,合金的变形机制是<110>超位错切入筏状γ′相内。

单晶镍基合金中γ,γ′两相的晶格常数及影响因素

通过对单晶镍基合金的组织形貌观察和XRD谱线分析,研究了元素铼对单晶合金晶格常数及错配度的影响。结果表明:2%Re镍基单晶合金经完全热处理后,其组织结构是由尺寸约为350～400nm的立方γ′相以共格方式嵌镶在γ基体相所组成;在γ,γ′两相镍基合金的XRD谱线中,衍射峰不对称的原因是由于γ,γ′两相衍射峰叠加所致。对不同合金在不同条件下XRD分离谱线的的分析表明,随元素Re含量增加,合金中γ,γ′两相在室温的晶格常数略有增大,而晶格错配度的绝对值减小。随温度提高,合金中γ,γ′两相的晶格常数及晶格错配度的绝对值增大,并进一步测算出合金中γ,γ′两相在不同温度区间的热膨胀系数。

单晶镍基合金体刃位错的电子结构

建立了单晶镍基合金基体γ相刃位错集团模型,在紧束缚框架下用recursion方法计算位错中心区域原子的局域态密度、格位能、电荷转移、结构能及原子间键级积分,讨论了溶质原子对位错运动的影响.