Influence of Ru Content on Microstructural Stability and Stress Rupture Property of DD15 Alloy

A fourth generation single crystal(SC)nickel based cast superalloy DD15 with 1%Ru,3%Ru,5%Ru was prepared using vacuum induction single crystal furnace in order to optimize the properties and cost of DD15 alloy.The exposure experiment of three alloys was conducted at 1100℃for 1000 h.The stress rupture properties tests were performed at 1100℃temperature and 137 MPa pressure.The composition optimization of Ru element in DD15 alloy had been studied.It was found that the alloys with different Ru contents all consist of cuboidalγ′phase embedded coherent inγphase.Theγ′phase of the alloy all has a size of about 300-500 nm and a volume content of more than sixty percent.The dimension ofγ′precipitates is reduced and uniform with increase of Ru content.Ru element can reduce the distribution ratio of high melting point element,so the microstructural stability is enhanced with Ru content increasing.No topologically close-packed(TCP)phase precipitated in the 5%Ru alloy even after 1000 h exposure.The stress rupture life of the alloy is significantly improved as Ru content rising.The raft breadth decreases slightly as Ru content increases.The specimen with 1%Ru and 3%Ru exhibits the presence of TCP phases and without TCP phases precipitated in fracture specimen with 5%Ru.The density and integrity ofγ/γ′interfacial dislocation network increase as Ru content of the alloy rises.

晶体取向对第四代单晶高温合金DD15高周疲劳性能的影响

在定向炉中分别采用籽晶法制备了[001]、[011]和[111]3种不同取向的第四代单晶高温合金DD15,在800℃研究了不同取向的高周疲劳性能,分析了合金不同取向的显微组织、疲劳断口形貌和疲劳断裂组织。结果表明:在凝固方向横截面上不同取向合金的铸态枝晶和热处理γ′相组织明显不同。合金800℃的高周疲劳性能存在各向异性,疲劳极限按[111]、[001]、[011]取向的顺序降低。不同取向合金的高周疲劳都是沿平面断裂,断裂平面与试样中心应力轴线的角度不同,角度按[011]、[001]、[111]取向的顺序逐渐减小。不同取向高周疲劳断口特征基本相同,可见疲劳源区、疲劳扩展区和瞬断区。疲劳裂纹起源于试样表面或亚表面并沿{111}平面扩展。扩展区上可见河流状花样和疲劳条带。瞬断区可见撕裂棱和解理台阶特征,其断裂机制都为类解理断裂。由于试验温度较低,不同取向疲劳断裂后的γ′相仍保持立方形状。

抽拉速率对DD15单晶高温合金组织和力学性能的影响

采用不同的抽拉速率制备了第四代单晶高温合金DD15,研究了抽拉速率对合金组织和力学性能的影响。研究结果表明,随着抽拉速率的增加,铸态合金的一次枝晶间距和二次枝晶间距减小,共晶含量增加,枝晶干和枝晶间的γ′相尺寸减小。不同抽拉速率合金热处理后都未见残余共晶,随着抽拉速率增加,γ′相尺寸稍有减小,γ′相立方化程度增加。合金的拉伸性能和持久性能随着抽拉速率的增加而升高。

DD15单晶高温合金900℃的热腐蚀性能

在高温度梯度真空定向凝固炉中制备了第四代单晶高温合金DD15,在900℃下研究了DD15单晶高温合金热腐蚀性能。采用扫描电镜、X射线衍射仪、能谱分析仪对腐蚀产物进行了分析。结果表明,DD15合金铸态组织由枝晶组成,枝晶间存在大量共晶组织。合金经过热处理后,获得立方化较好的γ′相组织。腐蚀过程中,腐蚀均匀、无剥落、无腐蚀坑。开始时腐蚀速率稍大,随着时间增加,腐蚀速率逐渐降低。燃气腐蚀条件下,合金100 h的平均腐蚀速率非常低,DD15合金具有优异的热腐蚀性能。腐蚀100 h后产物分为三层,外层为不规则棱形、紧密排列的NiO,中间为混合氧化物,内层为硫化物。内层中有薄片的NiS生成。

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。

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。

DD15单晶高温合金的蠕变各向异性

在定向凝固炉中制备了[001]、[011]和[111]3种不同取向的DD15单晶高温合金,研究了980℃/300 MPa条件下不同取向的蠕变性能。为对比分析不同蠕变时间后的微观组织,蠕变50和100 h后停止试验。采用扫描电镜和透射电镜分析不同取向的合金组织。结果表明,不同取向合金在垂直于生长方向的截面上具有不同的组织特征,[001]取向γ′相为规则的正方形,[011]取向γ′相为矩形,[111]取向γ′相为多边形。合金在980℃/300 MPa条件下的蠕变性能呈现明显的各向异性,蠕变寿命按[111]、[001]、[011]取向的顺序减小,应变量按[001]、[011]、[111]取向的顺序降低。3种取向合金蠕变曲线的共同特征为具有非常短的蠕变第1阶段,与[001]和[111]取向相比,[011]取向合金具有较短的蠕变第3阶段。不同取向合金蠕变后的γ′相具有明显不同的筏排化程度。[001]取向合金的γ′相筏排化速率大于[011]和[111]取向合金。蠕变断裂后,[001]或[111]取向合金的位错密度大于[011]取向合金。

DD15单晶高温合金持久性能各向异性

研究了[001]、[011]和[111]3种不同取向的DD15单晶高温合金的热处理组织、980℃/300 MPa和1 150℃/120 MPa的持久性能、持久断口和断裂组织。结果表明在与定向凝固方向垂直的截面上,3种取向合金具有明显不同的热处理组织形貌,γ′相的形状分别为规则的正方形、矩形和多边形。合金在980℃/300 MPa和1 150℃/120 MPa条件下的持久性能呈现各向异性。合金在2种条件下的持久寿命都按[011]、[001]、[111]取向的顺序增加,伸长率按[111]、[011]、[001]取向的顺序升高。随着试验温度的降低,合金持久各向异性增强。在980℃/300 MPa条件下,[001]和[111]合金持久呈现韧窝断裂特征,而[011]合金持久呈现类解理与韧窝混合断裂特征;在1 150℃/120 MPa条件下,不同取向合金持久都呈现韧窝断裂特征。不同取向合金断裂后的γ′相具有明显不同的形貌或筏排化程度。[001]取向合金的γ′相筏排与应力轴方向垂直,而[011]和[111]取向合金的γ′相筏排与应力轴呈一定夹角,筏排化程度按[011]、[001]和[111]的顺序增加。