镍基单晶高温合金中Ru元素作用的研究进展

具有优异的高温抗蠕变、抗疲劳、抗氧化和耐热腐蚀等综合性能的先进镍基单晶高温合金,是当代先进航空发动机热端部件的首选材料。研究者发现,Ru元素的引入对镍基单晶高温合金的组织稳定性和高温蠕变性能有重大影响。但是相关研究开始较晚,不够充分,因此Ru元素具体作用机制尚不明晰。此外,Ru的添加提高了镍基单晶高温合金的制造成本,所以高代次单晶合金目前仍处于试验阶段,并未在实际生产中实现大规模应用。本文从Ru元素对镍基单晶高温合金铸态组织、热处理态组织、组织结构稳定性和蠕变性能的影响4个方面出发,总结了Ru元素在单晶高温合金中具体作用的研究进展。

合金化元素Ru和Re在Ni_(3)Al中的相互作用及其对力学性质的影响

采用基于密度泛函理论和广义梯度近似的第一原理方法,探究了Ru元素和Re元素在Ni_(3)Al中的相互作用及其对力学性质的影响.计算表明:在绝大多数化学计量比范围内,Ru原子优先占据Ni_(3)Al中的Ni位,Re原子优先占据Ni_(3)Al中的Al位,Ru和Re易于聚集分布,占据近邻的Ni-Al原子对.通过差分电荷密度图和态密度图分析得到Ru和Re掺杂会与近邻Ni原子产生轨道相互作用,Ru和Re之间也会产生轨道相互作用.通过计算弹性模量,应用经验判据得到Ru的加入使得Ni_(3)Al材料抗压缩能力和韧性明显增强,但硬度有所降低.而Ru、Re的同时加入使其抗压缩能力、韧性和硬度都有所增强.

Ru对镍基单晶高温合金凝固特性、TCP相析出及蠕变性能影响的研究进展

镍基单晶高温合金因优异的高温力学性能而被广泛应用于航空发动机和地面燃气轮机的涡轮叶片等关键热端部件。Ru元素作为第四代、第五代镍基单晶高温合金的主要特征元素,其添加对合金从凝固特性到最终的服役性能都起到关键的影响。本文从镍基单晶高温合金的凝固特性、凝固组织、TCP相析出及蠕变性能等方面出发,综述了Ru元素对镍基单晶高温合金影响的研究进展,系统分析了Ru的添加对合金凝固路径、凝固特征温度、微观偏析等凝固特性及共晶、碳化物等凝固组织的影响规律,并重点探究了Ru的添加能抑制TCP相析出及提高合金蠕变性能的原因。目前由于多组元交互作用对组织与性能影响机理的复杂性,使得含Ru高温合金的成分设计与优化具有更高的挑战,建议未来含Ru高温合金的相关研究从富Ru新相的析出原因及抑制、Ru添加对凝固缺陷的影响及Ru与其他元素交互作用对“逆分配”效应及TCP相析出的影响机制等方面做进一步探究,为发展新型高性能含Ru高温合金的设计提供思路。

Ru对镍基单晶合金组织结构与蠕变行为的影响

通过对有/无Ru单晶镍基合金进行时效处理、蠕变性能测试及组织形貌观察,研究元素Ru对镍基单晶合金组织结构与蠕变行为的影响。结果表明:加入Ru使合金中元素Co由负偏析转为正偏析,热处理可大幅度降低元素在枝晶干/间的偏析程度。无Ru单晶镍基合金在1080℃时效期间沿{111}晶面析出富含难熔元素的针状μ相,而无Ru合金加入2%Ru(质量分数)后,可抑制合金中析出TCP相。与无Ru合金相比,2%Ru合金在980℃、200 MPa的蠕变寿命由123 h提高到333 h。合金在蠕变后期的变形机制是位错在基体中滑移和剪切筏状γ′相,其中,主、次滑移位错的交替开动,使其筏状γ′相转变成不规则的扭曲形态。与2%Ru合金相比,无Ru合金中析出大量的针状μ相,可促使裂纹的萌生和扩展,直到蠕变断裂,是使无Ru合金具有较低蠕变抗力和较短蠕变寿命的主要原因。

一种含4%Ru新型镍基单晶高温合金蠕变性能的研究

采用d电子理论(Md法)和电子空穴(Nv法)的合金设计方法,利用定向凝固技术制备一种含大量W、Mo难溶元素,含4%Ru的镍基单晶高温合金,并对其进行高温蠕变性能测试及组织形貌观察。结果表明,合金经完全热处理后,γ'相以共格方式镶嵌在γ基体中,尺寸约为0.4μm,可以看到合金无TCP相(拓扑密排相)析出。在137MPa、1020℃条件下,其蠕变寿命为315h,较DD403高温合金蠕变寿命提高31.8%,蠕变伸长量提高13.0%。合金在高温蠕变期间γ'相形成筏状结构,随蠕变进行,筏状结构扭曲并发生断裂,直至形成宏观裂纹,最终导致试件断裂,这是镍基单晶高温合金的断裂机制。

Ag-4Pd键合合金线性能和组织对键合强度的影响

利用扫描电镜、强度测试仪、热导率测试仪分析了Ag-4Pd和Ag-4Pd-0.5Ru键合合金线的性能及组织差异,研究了微量Ru元素对Ag-4Pd键合合金线球焊点尺寸、焊点形貌及键合强度的影响。结果表明:Ru元素的加入使Ag-4Pd键合合金线热导率由403 W/m?K降低到385 W/m?K,Ag-4Pd-0.5Ru键合合金线无空气焊球(free air ball)形状较Ag-4Pd键合合金线规则,提高了键合合金线焊点连接强度;Ag-4Pd键合合金线中的Ru元素使其热影响区长度由50μm减小至35μm,消除了由于热影响区长度过大导致的颈部微裂纹缺陷;Ag-4Pd键合合金线中的Ru元素细化了晶粒,增加了相同体积内不同取向的金属晶粒数目,改善了变形时的协同作用,降低了形变的不均匀性程度,获得了较规则的Ag-4Pd键合合金线球焊点形貌。