镍基单晶高温合金的发展

概述了镍基单晶高温合金的发展历程,分析了其成分、相组成、热处理的特征和持久变形及强化机制,给出了其持久性能数据,并指出了发展趋势。

镍基单晶高温合金γ和γ′相合金元素分布特征

用测算的办法分析了镍基单晶高温合金中γ和γ′相元素的分布特征。枝晶干和枝晶间γ和γ′相的化学成分测算表明,Cr、Mo、Co主要分布在γ相中,Ta、Al主要分布在γ′相,Ta在γ和γ′相中的分配比最大,W的分配比最小,Cr、Mo、W元素的分布特征为0<Cintd./Ccore<1,发生了负分布;Al,Ti,Ta、Co元素的分布特征为Cintd./Ccore>1,为正分布。对枝晶干和枝晶间错配度的测算表明,枝晶干和枝晶间的错配度相差较大,枝晶间的γγ′错配度大于枝晶干的错配度,这与试样中这两个区域γ′的尺寸大小和形态特点相对应。

镍基单晶合金枝晶典型区域相成分最优化测算法

建立了用于测算镍基单晶高温合金枝晶典型区域相成分的最优化数学模型.根据电子探针对枝晶典型区域成分的测定结果,运用BFGS拟Newton法及CONSTR约束优化算法,可以计算枝晶各典型区域中γ和γ＇相成分.以镍基单晶合金CMSX-2和CMSX-4为对象,对优化测算结果进行了分析,证实了该方法的可行性.

单晶/多晶镍复合体剪切过程分子动力学模拟

采用整体叶盘技术将不同性能指标的单晶镍涡轮叶片和多晶镍盘片连接为一个整体,然而却带来盘叶连接区断裂失效问题,严重制约了该技术的发展。为此,本文采用分子动力学研究单晶/多晶镍复合体的剪切性能。首先讨论了不同晶态镍的剪切性能,然后重点研究了单晶/多晶镍复合体的剪切速率效应与温度效应。结果表明:相比于单晶镍,由于多晶镍的加入,单晶/多晶镍复合体的整体剪切应力水平有所下降,其剪切强度显著小于单晶镍的剪切强度。不同晶态镍剪切变形进入塑性阶段后,出现类似于宏观材料颈缩的现象,靠近颈缩区的原子发生局部错动、重排以及部分非晶化。随着剪切速率的增加,单晶/多晶镍复合体的剪切模量逐渐增大。随着温度升高,单晶/多晶镍复合体剪切模量却呈现下降趋势。

纳米孔洞对单晶/多晶Ni复合体拉伸性能的影响

采用分子动力学方法研究了预制纳米孔洞缺陷对单晶/多晶Ni复合体拉伸性能的影响。结果表明,与多晶Ni相比,单晶Ni能够提高单晶/多晶Ni复合体的抗拉强度。对比了孔洞位置分布对单晶/多晶Ni复合体拉伸性能的影响。模拟结果表明,处于单晶区域的纳米孔洞缺陷显著加剧了单晶/多晶Ni复合体界面的断裂。相反,孔洞处于多晶区域时,界面一侧的单晶Ni阻碍了多晶Ni侧非晶化的传播,抑制了孔洞向界面一侧的单晶扩展。随后讨论了界面孔洞的孔隙率对单晶/多晶Ni复合体拉伸性能的影响。结果表明,当孔隙率超过0.8%后,单晶/多晶Ni复合体的抗拉强度迅速下降。最后分析了当保持界面孔洞孔隙率不变的情况下空洞数量对拉伸性能的影响,结果显示,相比于大孔洞,分散的小孔洞具有更好的拉伸性能。

真空热处理后Ni-Co-W-Ta-Al-Cr-Mo-Re-Nb-Hf系镍基单晶高温合金表面的氧化状态分析

将Ni-Co-W-Ta-Al-Cr-Mo-Re-Nb-Hf系镍基单晶高温合金试样在真空炉中完成固溶和时效真空热处理,由于设备状态或是其他原因造成试样表面存在不同程度的氧化(即表现出不同的氧化色),利用光学显微镜、扫描电镜和能谱分析对不同氧化色的单晶高温合金试样表面氧化微观组织和氧化物成分进行观察和测试。结果表明:单晶高温合金试样随着氧化程度的加深表面氧化物的组织状态和成分存在不同程度的变化,对于该氧化问题应详细分析原因并对症处理,最终才能获得表面质量满足要求的单晶高温合金制件。

新型无Re镍基单晶高温合金探索研究

综合运用电子空位理论和d-电子理论,设计了一种新型无Re镍基单晶高温合金7.5Cr-5Co-2Mo-6.1Al-8W-6.5Ta-0.15Hf-0.05C-0.004B-0.015Y(质量分数,%),Ni余量.采用光学显微镜、扫描电镜、X射线能谱观察了其铸态、固溶处理和时效处理后的组织特征,研究了完全热处理后合金的760℃拉伸力学行为及断口形貌.结果表明,合金的组织稳定,合金元索间共价健平均结合强度Bot,γ′相固溶温度T_(γ′solvus),成分性能预测参数P,抗拉强度σ_b等与第2代含Re镍基单晶高温合金相当.