元素Re对镍基合金组织稳定性及蠕变性能的影响

论文摘要

本文采用Md法和Nv法预算了5种镍基合金TCP相的析出倾向,通过对合金进行长期时效及组织形貌观察,研究了含Re合金中TCP相的演化规律;通过X-射线衍射分析及单晶镍基合金蠕变曲线的测定,研究了元素Re含量对合金晶格常数及错配度的影响及单晶合金的蠕变行为。结果表明:元素W、Re可强烈促进TCP相析出,高Re、W合金在1100℃长期时效期间,TCP相沿{111}晶面<110>方向以共格方式呈片状析出,在不同晶面多组针状TCP相可相互垂直、或互成60°角排列,并确定出析出的TCP相为μ相。在μ相析出的初始阶段,由于μ/γ′两相共格界面应变能的作用,使μ相沿γ′相的{111}晶面呈薄片状析出,且随μ相的厚度增加,晶格应变能增大。随时效时间延长,片状μ相厚度增加至一定尺寸,使两相界面失去共格,并导致晶格应变能降低;之后,按界面能最小原理,可使μ相逐渐熔断直至发生球化。随片状μ相的增厚,在出现沟槽的局部区域导致元素W、Re的化学位提高,而μ相不同区域的化学位之差可促使元素扩散,导致μ相分解;晶格应变能和界面能的变化是μ相沟槽不断加深及发生球化的驱动力。随元素Re含量的增加,合金中γ′、γ两相的晶格常数增加,但晶格错配度的绝对值减小;随温度提高,合金的晶格常数增大,晶格错配度的绝对值增加。在高浓度W、Re单晶合金的蠕变期间析出较多TCP相,可消耗难熔元素,故降低γ′、γ两相的固溶强化程度,并使筏状γ′相中断,致使合金具有较高的应变速率和较短的蠕变寿命,测定出该合金在稳态蠕变期间的蠕变激活能为:Q=413.3kJ/mol。与高浓度W、Re单晶合金比较,低浓度W、Re单晶合金具有较低的应变速率和较长的蠕变寿命,其中具有较高强度的筏状γ′相与应力轴方向垂直,可有效阻碍位错运动,是合金具有较高蠕变抗力和较长蠕变寿命的主要原因。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 镍基高温合金的发展状况
• 1.2 镍基单晶合金发展概述
• 1.3 单晶镍基合金中的相组成
• 1.4 单晶镍基高温合金中元素的作用
• 1.5 镍基合金的高温蠕变行为
• 1.6 含铼镍基单晶合金的研究现状
• 1.7 本文的目的、意义和内容
• 第二章 实验材料与方法
• 2.1 实验材料及样品制备
• 2.2 实验设备
• 2.3 实验内容及方法
• 2.3.1 合金热处理及长期时效
• 2.3.2 TCP相的析出形貌及晶体学分析
• 2.3.3 合金中γ'、γ两相的晶格常数及错配度
• 2.3.4 镍基单晶合金的拉伸蠕变曲线测定
• 第三章 实验结果与分析
• 3.1 合金成分设计及TCP相的析出倾向预测
• 3.1.1 电子空位法
• 3.1.2 Md法
• 3.1.3 TCP相的析出倾向预测与验证
• 3.2 热处理及时效对镍基合金组织形貌的影响
• 3.2.1 铸态合金的组织结构
• 3.2.2 系列镍基合金的热处理工艺
• 3.2.3 热处理对镍基合金组织形貌的影响
• 3.2.4 时效时间对γ'相形貌和尺寸的影响
• 3.3 TCP相的析出形貌及晶体学分析
• 3.3.1 TCP相的形貌特征及相分析
• 3.3.2 TCP相在时效期间的演化
• 3.3.3 TCP相的结构特征
• 3.4 μ相球化过程的热力学分析
• 3.4.1 μ相的球化及产生的附加压力
• 3.4.2 μ相附加压力对元素在γ'相中溶解度的影响
• 3.4.3 元素扩散及μ相分解的影响因素
• 3.4.4 μ相球化的驱动力
• 3.5 合金中γ'、γ两相的晶格常数及错配度
• 3.5.1 利用X射线衍射分析计算晶格错配度
• 3.5.2 元素Re含量对镍基合金晶格常数及错配度的影响
• 3.5.3 两种方法测算晶格错配度的比较
• 3.6 镍基单晶合金的拉伸蠕变行为
• 3.6.1 单晶合金制备及热处理工艺的制定
• 3.6.2 单晶镍基合金的拉伸蠕变特征
• 3.6.3 单晶合金拉伸蠕变断裂后不同区域的形貌特征
• 3.6.4 单晶合金拉伸蠕变期间的变形特征
• 3.6.5 蠕变方程与蠕变激活能
• 3.7 不同镍基单晶合金的蠕变行为比较
• 3.7.1 TCP相对单晶合金蠕变性能的影响
• 3.7.2 元素Re对单晶合金蠕变性能的影响
• 第四章 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢