含錸鎳基單晶高溫合金組織穩(wěn)定性及低錸成分的熱力學(xué)設(shè)計.pdf

1、為了進一步提高鎳基單晶高溫合金的承溫能力，滿足于航空發(fā)動機對于提高渦輪入口溫度的需要，通常在鎳基單晶高溫合金中加入難熔元素Re、W、Ta、Mo等，以提高γ基體相的固溶強化作用和γ'相析出強化作用，尤其是Re元素的加入，大大提高了合金的高溫強度。但這些難熔元素的加入在提高材料承溫能力的同時促進了合金在高溫服役時 TCP相的生成，影響了γ/γ'相的微觀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，同時對合金的制備和加工亦帶來了不利的影響。此外，由于Re不僅價格昂貴而且密度較

2、大，Re元素的添加大大提高了合金的成本和密度，這勢必限制了其在合金中的大量使用。因此，本文通過實驗研究和熱力學(xué)計算結(jié)合的方法，研究了一種含錸鎳基單晶高溫合金的組織穩(wěn)定性以及合金元素在γ/γ'兩相及界面處的分布規(guī)律；并且嘗試了將合金中的Re含量降低到1wt.％，而微調(diào)其他合金元素的相對含量，以取代Re元素，設(shè)計了幾種低錸含量且承溫能力達到二代水平的單晶高溫合金。
　　用光加熱懸浮區(qū)熔法制備了一種錸含量為5wt.%的鎳基單晶高溫合金。

3、借助掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)、掃描透射電鏡(STEM)以及能譜儀(EDS)，研究了不同熱處理條件下，該合金的微觀組織演化規(guī)律以及合金元素在γ/γ'兩相及界面處的分布規(guī)律。在該合金中觀察到了相分離現(xiàn)象(即γ'相中析出γ相)，且對相分離的過程、產(chǎn)生原因以及其對微觀組織演化的影響進行了分析。實驗結(jié)果表明：一次時效后，γ'相主要以立方形形態(tài)析出，且無相分離現(xiàn)象出現(xiàn)，合金元素Re、Co、Cr、Mo富集于γ基體相，而合金元素Ni、Al

4、富集于γ'析出相，此外, W元素平均分配于γ/γ'兩相中。二次時效后，有細(xì)小的近球形γ'相二次析出，且出現(xiàn)了相分離現(xiàn)象，合金元素Re、Co、Cr、Mo富集于γ基體相，而合金元素Ni和Al富集于γ'析出相，此外，W元素富集在γ/γ'界面附近處，且其在γ'析出相中的含量高于其在γ基體相中的含量。
　　另外，本文利用熱力學(xué)軟件 JMatPro和相應(yīng)的鎳基高溫合金數(shù)據(jù)庫分析總結(jié)了幾代典型鎳基單晶高溫合金與性能相關(guān)的參數(shù)，如合金初熔溫度、密

5、度、γ'相體積分?jǐn)?shù)、γ/γ'相錯配度、TCP相含量、熱加工窗口以及糊狀區(qū)區(qū)間等，且從單晶葉片設(shè)計要求、微觀組織穩(wěn)定性要求和加工工藝性能要求三方面出發(fā)，制定了合金設(shè)計相應(yīng)的熱力學(xué)判據(jù)。并在此基礎(chǔ)上，通過固定Re、Al、Cr等部分合金元素含量，調(diào)整W、Mo、Co、Ta等合金元素的相對含量，在二代單晶合金的基礎(chǔ)上降低錸元素含量至1wt.%，嘗試設(shè)計了一系列不同成分的合金，且利用JMatPro對合金初熔溫度、密度、γ'相體積分?jǐn)?shù)、γ/γ'錯配度