镍基高温合金中的拓扑密堆相的析出与防治

随着各国对航空发动机推重比的要求日益提升,为满足高推重比的需求发动机涡轮进口温度持续增加,相应的,发动机所用热端材料的高温力学性能也需满足更高的标准。在650~1000℃范围内具有良好的高温力学性能的镍基高温合金,在发动机材料中约占40%,足见镍基高温合金在航空航天领域中的特殊地位。纵观镍基高温合金的发展史,良好的高温蠕变性能一直是研究者们追求的目标。航空发动机在服役过程中的高温蠕变会导致高温零部件产生过大的塑性变形,特别是当进一步提升涡轮进气口温度时,合金的蠕变性能无法满足严苛服役环境的矛盾将更加突出。例如,在高温环境下,温度只增加15℃,零件的蠕变寿命就会缩短一半。因此,为不断提升镍基高温合金的高温性能,向合金中添加难熔元素(如Re、Cr、Mo、Ta和W等),特别是添加Re元素时,镍基高温合金的蠕变性能大幅提升。但是,大量难熔元素加入镍基高温合金后,合金在服役过程中会大量析出拓扑密堆相,反而会危害合金的蠕变性能。长久以来,抑制拓扑密堆相的形成都是提升镍基高温合金蠕变性能的重要研究方向。

高温合金中复杂结构相的电子显微学新认识

高温合金由于其成分比较复杂,进而在热处理及服役过程中不可避免地会产生大量的析出相,如碳化物、硼化物、拓扑密堆相等。这些析出相对高温合金的力学性能有重要影响。准确地解析这些析出相的结构与缺陷以及它们与基体间的位向关系、界面特征可以帮助人们更好地理解其从基体中的析出特性,从而控制其析出行为,对高温合金性能产生有益影响。尽管这些复杂结构相在高温合金中普遍存在,但人们对它们的认识仍然停留在前人基于点阵结构的研究结果上。近年来,基于像差校正电子显微术,本课题组对高温合金中的复杂结构相系统地进行了高空间分辨率的结构解析。本文将概述对这些复杂物相的新认识。

NiCoCrAlYTa粘结层与镍基高温合金基体的界面高温互扩散行为

采用真空等离子体喷涂技术(vacuum plasma spraying,VPS)在镍基高温合金GH3128基体表面沉积NiCoCrAlYTa粘结层,并在1100℃进行不同时间的热处理。采用扫描电子显微镜(scanning electron microscopy,SEM)、能谱仪(energy dispersive spectrometer,EDS)等分析NiCoCrAlYTa粘结层与GH3128高温合金界面元素的互扩散行为。结果表明,在热处理过程中,互扩散区(interdiffusion zone,IDZ)和二次反应区(secondary reaction zone,SRZ)的厚度随着热处理时间延长而增大,且在SRZ中明显观察到拓扑密堆(topological close-packed,TCP)相晶粒的生长。Al、Ta、Co元素由NiCoCrAlYTa粘结层向GH3128高温合金扩散,Ni、W、Mo元素由GH3128高温合金向NiCoCrAlYTa粘结层扩散。依据EDS检测的粘结层/基体界面处元素成分,计算出上述元素在界面处的扩散系数,掌握了各元素在高温热处理过程中的扩散速率,揭示了VPS制备的NiCoCrAlYTa粘结层与GH3128高温合金界面处元素在高温下的互扩散规律。

高压下金属钨固−固相变的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟研究高压下金属钨快速凝固过程中的相变,并用双体分布函数和最大标准团簇分析法(LSCA)对其结构进行分析。在冷却速率为0.1 K/ps、压强40~100 GPa下纯钨熔体首先结晶成体心立方(BCC)晶体,然后经过一系列BCC−HCP共存的中间态,转变成六方密排(HCP)晶体。动力学因素可能导致液−固相变过程包含中间态;而在BCC向HCP转化的过程中,纵横交错的晶界导致很多难以区分的中间相,从而使本为一级相变的固−固转变看起来像是连续相变。作为一种与参数无关的结构分析方法,LSCA能识别拓扑密堆结构和计算其平均截止距离等参数来探测无序体系中的关键结构演变。

热冲击环境下涂层/基底界面的微观形貌及元素扩散规律研究

针对热障涂层在高温环境中长期服役的需求,研究热障涂层在热冲击环境下涂层/基底界面形貌演变及元素扩散规律。通过自主搭建的石英灯加热平台对热障涂层进行热冲击试验。利用SEM和EDS对热冲击后涂层/基底界面的微观形貌及元素分布进行分析,利用Boltzmann-Matano扩散模型计算了涂层/基底界面Al元素的扩散系数。结果表明,沉积态的热障涂层中黏结层(BC)主要由β和γ相组成,并且在涂层/基底界面已经出现扩散区;随着热冲击试验的进行,Al元素快速消耗致使BC层和基底间Al元素浓度梯度转变,Al元素开始向外扩散,部分拓扑密堆(TCP)相中富集的难熔元素可以重新固溶到基底中,最终各元素在界面区的分布逐渐均匀;Al元素的扩散系数在热冲击试验开始前为正值,到600次热冲击循环后为负值,且扩散系数的最大值均出现在涂层/基底界面处,距离界面越大,扩散系数就越低。

长期时效对一种新型镍基合金的组织及持久性能的影响

研究一种新型镍基合金在750、800、850℃长期时效(500-2000h)过程中的组织变化及其对750℃/510MPa持久性能的影响。用扫描电子显微镜对合金显微组织及持久断口进行观察。结果表明:在750-800℃时效该合金有针状TCP相(拓扑密排相)析出,随其析出量的增加,合金基体的强度降低,合金持久断裂趋于从沿晶断裂转为穿晶断裂;800℃、850℃经不同时间时效处理,1000h处持久强度最低,这与γ′相尺寸变化有关;随时效温度的升高,试验合金750℃/510MPa的持久激活能降低,持久强度下降。

长期时效对镍基合金的组织及高温拉伸性能的影响

研究了一种新型镍基合金在750 ℃、800 ℃、850 ℃长期时效过程中的高温拉伸性能与组织变化的关系.利用扫描电子显微镜对合金长期时效过程中的显微组织、高温拉伸断口进行了观察和分析.结果表明,该合金在750～800 ℃时效有针状TCP相析出;在750 ℃时效时,随着时效时间的延长,TCP相的析出量呈增加趋势且尺寸不断长大,当时效温度达到800 ℃后,随时效时间的增加TCP相的析出量先增加后减少,最后消失.另外,在长期时效过程中由于γ＇相析出的数量变化不大,750 ℃高温拉伸强度基本保持不变;合金的塑性与TCP相的析出有关,同时受到γ＇相尺寸及晶界碳化物析出的综合影响.试验合金的750 ℃高温断裂基本呈韧性断裂.

低Re含量第二代柱晶高温合金DZ59的蠕变断裂性能

采用液态金属冷却(LMC)工艺和成分优化设计,制备出一种高温性能优异的低Re含量第二代柱晶高温合金DZ59,通过扫描电镜(SEM),透射电镜(TEM)等方法对其组织特征及蠕变断裂进行了表征,研究了合金的蠕变断裂性能.结果表明, DZ59合金的高温蠕变断裂性能超过一代单晶合金,并接近二代单晶合金的水平.发现柱晶高温合金的二次晶界反应(SGRZ)现象,表明SGRZ受温度和应力的控制,由于增加了合金横向晶界的受力界面,在高负荷下可能成为蠕变空洞萌生和扩展的位置.

(Ni,Pt)Al/Ni20Cr复合涂层的恒温氧化行为研究

铂铝涂层是高温防护涂层领域应用最为广泛的防护涂层之一,但其在长期高温服役后会形成对基体性能有害的含有针尖状TCP相的二次反应区(SRZ),这种针尖状TCP相严重影响基体的高温力学性能,在使用过程中应减少TCP相析出。为此在普通铂铝涂层与基体之间利用电弧离子镀的方式预先制备一层Ni20Cr涂层,得到(Ni,Pt)Al/Ni20Cr的复合涂层体系,研究复合涂层在1100℃条件下恒温氧化行为。结果表明:(Ni,Pt)Al/Ni20Cr复合涂层的互扩散区厚度有了明显降低,且复合涂层下方的SRZ生长速度缓慢,预镀Ni20Cr层起到了明显的抑制SRZ生成作用。预镀Ni20Cr层能一定程度上缓解基体与涂层之间的元素互扩散行为,可改善基体的高温力学性能,能有效抑制涂层的退化进而延长使用寿命。

利用“虚拟填球法”巧解金刚石中晶体计算问题

1科学视野参考杨平(北京科技大学材料学院)在拉维斯(Laves)相及拉维斯的科研生涯文章中的介绍加深了我们对材料科学中的拉维斯相的了解.Laves相是一种AB2型金属间化合物,是拓扑密堆相中的一种,典型代表是MgCu_(2)(结构符号是C15,Pearson符号是cF24).Laves相,MgCu_(2)的结构如图1所示,它们的存在对力学性能有重要影响.

长期时效对GH4586B合金组织及高温拉伸性能的影响

研究了一种新型镍基合金在750℃下长期时效1500 h过程中的组织变化及其对750℃高温拉伸性能的影响。利用扫描电子显微镜对合金长期时效过程中的显微组织和高温拉伸断口进行了观察分析。结果表明:GH4586B合金在时效过程中晶界和晶内均有碳化物析出,晶界析出碳化物的形貌呈弥散的颗粒状,并随时效时间的延长有逐步转变为连续链状的趋势,同时合金内未见有害拓扑密堆(TCP)相析出;合金在750℃高温下拉伸,随着时效时间的延长合金的强度和塑性在500 h时表现为峰值,且随着时效时间的延长略有降低,这与晶界析出碳化物的形貌、分布、数量直接相关;通过750℃高温拉伸断口的形貌分析,合金断裂均具有塑性断裂特征。

Ru过渡层对NiCoCrAlY涂层与DD6单晶高温合金界面扩散行为的影响

针对第二代单晶高温合金DD6开展了一种具有阻扩散功能的金属防护涂层的探索性研究。采用电镀和电子束物理气相沉积(EB-PVD)方法在DD6单晶高温合金上制备了NiCoCrAlY/Ru双层结构涂层,同时采用EB-PVD在单晶合金上沉积了单层NiCoCrAlY涂层。研究结果表明,在1 050℃大气环境中扩散处理300h后,涂覆单一NiCoCrAlY涂层的单晶高温合金基体中析出了厚度约为55μm的互扩散区(IDZ)以及厚度达25μm的二次反应区(SRZ)。与单一的NiCoCrAlY涂层相比,NiCoCrAlY/Ru涂覆的合金基体中只有少量的拓扑密堆相(TCP)析出。NiCoCrAlY/Ru双层结构涂层减缓了涂层中的Al元素的内扩散,有效地抑制了基体SRZ的形成。

长期使用燃机导向叶片的失效与恢复热处理

为考察恢复热处理对长期使用后的燃机导向叶片的组织和热疲劳性能的影响,采用光学显微镜、扫描电子显微镜、X射线衍射仪等设备对叶片热处理前后的显微组织和结构进行了分析,探讨了恢复热处理后叶片组织对其热疲劳性能的影响。结果表明,恢复热处理能消除导向叶片长期使用中产生的有害的拓扑密排相(TCP)以及部分溶解晶界碳化物,显著提高导向叶片的热疲劳性能。确定其恢复热处理工艺为1070℃×40 min,空冷。

长期时效对GH4586B合金组织及室温拉伸性能的影响

利用扫描电镜对GH4586B合金在750℃下时效1500 h过程中的显微组织和室温拉伸断口进行观察分析。结果表明,GH4586B合金在时效过程中无有害TCP相(拓扑密堆相)析出,晶内析出尺寸差异较大的两种γ′相粒子,随着时效时间的延长,大尺寸的γ′相逐渐长大,形貌由球形逐步转变为方形,且间距也逐渐变大,这种γ′相析出的特征有利于合金强韧性的匹配;合金在室温下随着时效时间的延长,强度和塑性发生变化,时效500 h后合金具有较好的强度和塑性的匹配,这与γ′相析出的形貌、分布、数量直接相关;通过室温拉伸断口的形貌分析,合金断裂均具有塑性断裂特征。

长期时效对GH4586合金动态断裂韧性的影响

为了考察长期时效对GH4586合金动态裂纹扩展的影响,测定了经不同时效时间时效后合金的动态断裂韧性JId。采用光学显微镜、扫描电子显微镜对合金的显微组织及断口形貌进行了分析,探讨了GH4586合金在750℃长期时效过程中合金的组织变化对动态断裂韧性的影响规律。研究表明,GH4586合金经200 h时效后,动态断裂韧性JId从166 N/mm降至86 N/mm,在随后的800 h时效中,动态断裂韧性JId变化不大。时效时合金中的碳化物由在晶界断续析出转变为连续析出,导致了合金的动态断裂韧性降低。而时效500 h后,拓扑密排(TCP)相的析出削弱了晶界碳化物对动态断裂韧性的影响,这是GH4586合金动态断裂韧性变化减缓的主要原因。

镍基单晶高温合金的组织和成分设计综述(第一部分)

镍基单晶高温合金的组织、热稳定性和机械稳定性受合金中合金元素和含量的影响很大,合金化是稳定其成分、组织和热机械性能的主要设计手段。本文中介绍了几种常用合金元素在控制单晶高温合金组织和机械性能及其稳定性方面的作用。根据对性能的不同影响,合金元素可以被归为以下四类:基本组成元素,机械强化元素,长时稳定元素和抗氧化元素。机械强化元素又可以进一步分为析出强化、固溶强化和晶界偏析元素。析出强化元素通过形成Ll2结构的γ’相进行强化;固溶强化元素主要通过提高固相温度和降低堆垛层错能,从而提高相的热稳定性和阻碍位错移动来强化γ相。晶界强化元素则是通过在凝固过程中形成的碳化物和硼化物阻碍铸造气孔和热裂纹的形成、强化小角晶界,从而强化合金。长时稳定元素可以抑制析出导致合金机械性能恶化的拓扑密排相。以A1为代表的抗氧化元素会在合金表面形成保护性的Al2O3的薄膜。

镰基单晶高温合金的组织和成分设计综述(第二部分)

镰基单晶高温合金的组织、热稳定性和机械稳定性受合金中合金元素和含量的影响很大,合金化是稳定其成分、组织和热机械性能的主要设计手段。本文中介绍了几种常用合金元素在控制单晶高温合金组织和机械性能稳定性方面的作用。根据对性能的不同影响,合金元素可以被归为以下四类:基本组成元素,机械强化元素,长期稳定元素和抗氧化元素。机械强化元素又可以进一步分为析出强化、固溶强化和晶界偏析元素。析岀强化元素通过形成L12结构的γ′相进行强化;固溶强化元素主要通过提高固相温度和降低堆垛层错能,从而提高相的热稳定性和阻碍位错移动来强化Y相。晶界强化元素则是通过在凝固过程中形成的碳化物和硼化物阻碍铸造气孔和热裂纹的形成、强化小角晶界,从而强化合金。长期稳定元素可以抑制析出导致合金机械性能恶化的拓扑密排相。以Al为代表的抗氧化元素会在合金表面形成保护性的Al2O3的薄膜。