Co、Cr、Mo、Ru对第四代镍基单晶TCP相演变及950℃蠕变行为影响的研究

发布时间：2020-08-15 11:20

【摘要】：近年来,第四代单晶高温合金以其优异的综合性能成为国际上的研究热点之一。然而,由于合金中Re和Ru的价格极其昂贵,很大程度上限制了其工业化应用。因此,有必要优化合金成分,探索并发展低成本(低Re)、高性能的第四代单晶高温合金。同时,关于合金化元素对第四代单晶合金中TCP相析出和演变以及950℃C蠕变行为的影响研究还非常有限。在课题组前人研究工作的基础上,本文以恒定Ni-6.0Al-4.0Re-8.0Ta-5.4W-0.1Hf 含量且不同 Co(～7.0/～15.0wt.%)、Cr(～3.5/～6.0wt.%)、Mo(～1.0/～2.5wt.%)和Ru(～2.5/～4.0wt.%)含量的第四代单晶高温合金为对象展开研究,探究合金化元素对γ-γ'两相组织稳定性、TCP相析出和演变、950℃蠕变性能以及组织演变的影响规律。在此基础上,阐明合金化元素的单独和交互作用对合金950℃和1100℃组织稳定性和950℃蠕变性能的影响机理。对经过标准热处理后的实验合金进行显微组织表征,随后对不同Co和Ru含量的实验合金进行1100℃/50-1000h的热暴露实验。结果表明:实验合金经过标准热处理后的γ'相均呈现立方状形貌。Cr的添加降低了γ'相体积分数,Ru和Co的添加略微增大了 γ'相体积分数;Mo对γ'相体积分数的影响不明显。Co、Cr、Mo和Ru的添加不同程度增大了γ-了 错配度的绝对值。Co和Ru的添加均延缓了高温长时热暴露过程中γ'相体积分数的降低趋势。对不同Co含量的合金进行950℃和1100℃/50-1000h长时热暴露实验,研究表明:在低Co含量的合金中,Cr和Mo的添加分别促进合金在高温热暴露过程中σ相和P相的析出。在低Co高Cr含量合金中,σ相在950℃和1100℃长时热暴露后稳定存在。在低Co高Mo含量的合金中,1100℃长时热暴露后P相稳定存在;而在950℃热暴露条件下P相由σ相转变生成。此外,通过研究σ相和P相与基体的界面关系,得到σ相与基体界面侧向长大的台阶数量明显高于P相与基体界面的台阶数量,这从动力学角度证明了 σ相比P相更容易形核。在高Co含量的合金中,经950℃和1100℃长时热暴露均析出了富Co的针状μ相和块状R相。在950℃热暴露条件下μ相先析出;随着时间的延长,R相逐渐析出;而1100℃热暴露后R相迅速析出并稳定存在。同时,热暴露实验结果和热力学平衡相图计算结果均显示R相在高温下比μ相更为稳定。此外,在高Co合金中Cr和Mo分别促进R相和μ相的析出。对实验合金在950℃/400MPa条件下的蠕变性能以及组织演变规律的研究表明:Co和Ru的添加对蠕变性能有利,二者含量的提高不同程度增加了γ'相体积分数和Y-Y'两相错配度,从而提高合金蠕变性能。Cr和Mo的添加则对蠕变性能不利。Cr含量的提高降低了 γ'相体积分数,同时促进合金在蠕变过程中析出TCP相,降低合金蠕变性能。Mo虽然提高Y-γ'两相错配度,但Mo对于TCP相的促进作用导致合金蠕变性能的下降。对高Co含量的实验合金在950℃/400MPa蠕变过程中亚微观组织演变的研究表明:高Co合金在γ相中的层错和界面位错网络是蠕变强化的主要方式。γ相中的层错形成于蠕变初始阶段,并阻碍位错在γ通道的滑移。同时,界面位错网络的形成进一步阻碍位错切割γ'相,降低了合金最小蠕变速率。高Co合金中同时添加Mo和Ru导致合金层错能的降低和γ相中层错密度的提高,提高合金蠕变寿命。通过本论文的研究,阐明了合金元素Co、Cr、Mo和Ru对第四代单晶高温合金TCP相析出和演变以及950℃蠕变行为的影响规律。同时,完善了高Co含量的第四代单晶高温合金的蠕变变形机理,为发展低成本、低密度、高性能的新一代单晶高温合金提供了实验指导和理论依据。
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG132.3
【图文】：

工业燃气轮机、化工和核电等工业部门所需的？温耐蚀部件。镇基尚温合金逡逑由于其工作温度高，组织稳定性好，因而发展成为航空发动机涡轮叶片的首逡逑选材料。图２－１为Ｒｏｌｌｓ邋Ｒｏｙｃｅ邋Ｔｒｅｎｔ发动机各部位使用材料的示意图，该图逡逑表明镇基高温合金材料用量占发动机总量的４０％－６０％［１Ｑ］。因此，尚温合金的逡逑发展水平是衡量一个国家工业水平高低的重要标志。如果说航空发动机作为逡逑一个国家工业上的皇冠，而以高温合金为材料的涡轮叶片则被喻为“现代工业逡逑技术皇冠上的明珠”。逡逑ＪＸＩ逡逑滙逦—Ｓｔｅｅｌ逡逑0邋Ａｌｕｍｉｎｉｕｍ逡逑％邋Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ逡逑图２－１邋Ｒｏｌｌｓ邋Ｒｏｙｃｅ邋Ｔｒｅｎｔ发动机各部位及其使用材料的示意图｜１Ｄ】逡逑２．１镍基单晶高温合金的发展及其相组成逡逑２．１．１发展历程逡逑高温合金于上世纪４０年代问世，最初是为了满足喷气发动机对材料的耐逡逑高温、高强度的要求而发展的。近年来，由于航空涡轮发动机推力和效率的逡逑日益增长以及涡轮进口温度的不断提高，高温合金得以迅速发展。图２－２总逡逑结了高温合金的发展历程，可见高温合金高温强度的不断提高是与制备工艺逡逑的进步和改善紧密相关。从４０年代到５０年代中期，主要通过成分调整来提逡逑．高合金性能。５０年代以后

的结晶方向平行于应力轴，从而消除了横向晶界，提高了合金的高温强度。逡逑镍基单晶高温合金自从上世纪８０年代问世以来己经发展到了第四代，其逡逑承温能力得到了不断提高，如图２－２所示。单晶技术的发展使镍基单晶高温逡逑合金得到了广泛的应用。目前，几乎所有先进航空发动机都以采用单晶叶片逡逑为特色［１２］。逡逑＿＿邋＾逦４扔邋Ｇｅｎ．逡逑２ｎｄ邋Ｇｅｎ．邋Ｇｅｎ．邋Ｉ逡逑？逡逑１，００邋［逦１ａ0ｅａ邋士逡逑５－逦ＯｃＭＳＸ－１０逡逑ｆ逦ＮＡＳＡｆ：，ｘ／Ｑｒ＞ｆＲｆ＾ｇ逦—逡逑Ｉ夬？逦煖】■逡逑；逦＾＾邋ｗｍ，逡逑￡逦ＪＵ－．ＵＪ邋ＬＪＷ７９２逡逑ｌ逦Ｄ？７３６ＬＣ逦．逦Ｓｉｎｇｌｅ邋Ｃｒｙｓｔａｌ逡逑Ｓ９００：逦＾逦＾逡逑Ｉ逦＾＜ｗ＾0Ｎ１°５逦Ｄｌｒｅｃｔｉｃ＾ａｌｔｙ邋Ｓｏｌｉｄｉｆｉｅｄ逡逑舅邋８００邋：逡逑Ｉ邋．逦Ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｌｙ邋Ｃａｓｔ逡逑１邋ｃＬ邋Ｗｒａｕ９ｈｔ｜＾逡逑？００逦＊邋＇＊逦＊逦＊逦？邋＿‘邋■？＿邋＊邋丨》＊逦？逦＊逦＊邋＊丨邋ｉ＿＿＿ｍ▲－一邋Ｉ邋？逦＊邋＊逦？邋＊邋ｍ－ｕ一＿＂▲■邋ｉ逡逑１３４０逦１９５０逦１９６０逦１９７０逦１９８０逦１９９０逦２０００逦２０１０逡逑Ｙｗｒ逡逑图２－２镍基高温合金的发展历程１１３１逡逑镍基单晶高温合金的合金化程度极高，通常添加十几种合金元素。表２－１逡逑列出了各个代次典型单晶合金的成分与密度。总的来看，镍基单晶高温合金逡逑成分发展存在以下特点［１４］：逡逑（１）逦Ｃ、Ｂ、Ｈｆ从“完全去除”转为“限量使用”。这几种元素历来被看作逡逑是晶界强化元素

Ｃｏ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｒｕ对第四代镍基单晶ＴＣＰ相演变及９５０°Ｃ蠕变行为影响的研究逡逑（５）钌（Ｒｕ）等铂族金属元素的引入。在发展第４代单晶合金过程中，引逡逑入了新的合金元素Ｒｕ。ＧＥ和ＯＮＥＲＡ公司最先对添加Ｒｕ的合金进行了合逡逑金化实验。实验结果表明，与Ｒｅ相比，Ｒｕ最明显的优势是具有较低的密度逡逑和较低的ＴＣＰ相析出倾向［１８］，添加Ｒｕ的单晶高温合金表现出优异的高温蠕逡逑变性能。此外，在开发第四代单晶高温合金过程中还引入了邋Ｐｔ，Ｉｒ，邋Ｐｄ和Ｒｈ逡逑等铂族金属元素［１９＿２１］。逡逑２．１．２高温合金中的基本相组成逡逑镍基单晶高温合金的基本组成相为Ｙ基体和丫’强化相。图２－３显示了逡逑ＳＣ２１２２合金经过标准热处理后枝晶干处典型显微组织，其中白色衬度相为Ｙ逡逑相，黑色衬度立方状析出相为Ｙ＇相。逡逑

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