一种无铼镍基单晶合金的蠕变行为及影响因素

论文摘要

本文通过热力学及TEM方法测算了Ni基合金的层错能,并对[001]取向的镍基单晶合金、P-型结构单晶合金进行蠕变性能测试和SEM、TEM形貌观察,研究了合金元素、层错能对镍基单晶合金稳态蠕变期间位错运动内摩擦应力及蠕变特征的影响,考察了组织结构对单晶合金蠕变期间组织演化规律及蠕变寿命的影响,并对合金的变形机制进行了深入讨论。得出如下结论:单晶合金在凝固期间形成的共晶组织由条状粗大和细网状γ/γ’两相构成,其中粗大的γ/γ’相由包晶反应生成,细网状γ/γ’共晶组织形成于共晶反应。铸态单晶合金在枝晶臂/间存在明显的成分偏析和γ/γ’两相的尺寸差别,致使铸态合金有较大的晶格错配度。通过差热曲线分析及尝试法,制定出合金的热处理工艺。经完全热处理后,元素的偏析程度明显减少,且立方γ’相以共格方式嵌镶在γ基体相中,且均匀分布,可使合金的晶格错配度减小。元素Al可明显降低Ni-Al-M合金的层错能,随着Al含量的增加,合金层错能降低的幅度增加,随温度提高,合金的层错能增加;其中元素Al降低合金中原子的偏聚自由能,促进γ’有序相的形成是降低Ni-Al-M合金层错能的主要原因。高层错能合金有较低的内摩擦应力和蠕变抗力,随层错能降低,单晶合金的内摩擦应力和蠕变抗力提高,并延长蠕变寿命;与其它合金比较,设计及制备的低层错能无Re镍基单晶合金具有较高的蠕变抗力,在1040℃、137MPa条件下的持久寿命达到1280h。在中温高应力蠕变期间,该合金的变形机制是位错在γ基体中运动和剪切γ’相,切入γ’相内的<11O>超位错即可在{111}八面体晶面滑移,也可在{100}立方体晶面滑移;当（1/2）[110]位错在γ’/γ两相界面切入γ’相发生分解,可形成（1/3）<112>超肖克莱不全位错加层错的位错组态。而在高温低应力的蠕变初期,合金的变形机制是（1/2）<110>位错在γ基体通道的八面体滑移系中以交滑移方式运动;γ’相形成筏状结构后,合金的变形机制是位错攀移越过筏状γ’相;而蠕变后期,合金的变形机制是<110>螺、刃型超位错剪切γ’相。在蠕变期间,P-型结构合金发生了复杂的组织演化,其P-型γ’相转变成具有较短尺寸的N-型筏状结构,使位错易于滑移越过γ’相,是使P-型结构合金具有较高应变速率和较短蠕变寿命的主要原因。在实验的温度和应力范围内,与P-型结构合金相比,完全热处理态合金具有较低的应变速率和较长的持久寿命;分别计算出热处理态合金和P-型结构合金在稳态蠕变期间的激活能分别为Qa=462kJ/mol和Qa=412.5 kJ/mol,表观应力指数分别为na=3.5和na=5.2。在拉伸蠕变期间,不同成分合金中γ’相具有不同的定向粗化速率,随合金中Ta+Mo含量及Ta/W比值的增加,溶质元素（Al、Ta）的扩散及γ’相的定向粗化速率降低。拉伸蠕变期间,类立方γ’相中与施加应力轴垂直的界面受水平切应力,使晶格收缩可排斥较大半径的Al、Ta原子;与应力轴平行的界面受拉伸张应力,使晶格扩张可诱捕较大半径的Al、Ta原子,由此引起的原子偏聚形成γ’相是自由能降低的过程;其中,较大半径的Al、Ta原子扩散迁移至{100}晶面,形成异类原子结合键及稳定的堆垛方式,是促使γ’相形成N-型筏状结构的主要原因;而γ’相不同界面的应变能密度变化是元素扩散及γ’相定向粗化的驱动力。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 高温合金的发展
• 1.1.1 镍基高温合金的发展
• 1.1.2 定向凝固和单晶高温合金的发展
• 1.1.3 镍基单晶合金的制备及成分特点
• 1.1.4 镍基单晶合金中的相组成
• 1.2 镍基单晶合金的强化机理
• 1.2.1 固溶强化
• 1.2.2 沉淀强化
• 1.3 单晶合金的蠕变特征及变形机制
• 1.3.1 单晶合金的错配度
• 1.3.2 蠕变行为及其微观机制
• 1.3.3 蠕变激活能和应力指数
• 1.3.4 层错能与合金的变形机制
• 1.4 蠕变期间γ′相的形貌演化
• 1.4.1 蠕变期间γ′相的定向粗化
• 1.4.2 γ′相形态对合金高温强度的影响
• 1.5 本课题的目的、意义及研究内容
• 第二章 单晶合金的凝固及热处理工艺制定
• 2.1 引言
• 2.2 实验方法
• 2.2.1 实验材料与母合金熔炼
• 2.2.2 单晶合金制备
• 2.2.3 差热曲线测定
• 2.2.4 合金热处理
• 2.2.5 组织形貌观察与微区成分分析
• 2.3 实验结果与分析
• 2.3.1 单晶合金中的凝固组织
• 2.3.2 单晶合金的凝固过程分析
• 2.3.3 差热曲线分析及热处理工艺的制定
• 2.3.4 热处理对枝晶偏析的影响
• 2.3.5 元素W对组织稳定性的影响
• 2.3.6 热处理对合金中的γ′/γ两相晶格常数的影响
• 2.4 讨论
• 2.4.1 单晶合金的凝固过程
• 2.4.2 形成凝固共晶组织的理论分析
• 2.4.3 热处理对γ′相形态的影响
• 2.5 本章小结
• 第三章 高温拉伸蠕变行为
• 3.1 引言
• 3.2 实验方法
• 3.2.1 试验材料
• 3.2.2 合金的蠕变性能测试
• 3.2.3 组织形貌观察
• 3.3 实验结果与分析
• 3.3.1 合金的蠕变特征
• 3.3.2 蠕变方程及相关参数
• 3.3.3 蠕变期间的组织演化
• 3.3.4 蠕变期间的变形特征
• 3.4 讨论
• 3.4.1 蠕变机理探讨
• 3.4.2 位错网的形成机制
• 3.4.3 γ′相中位错的相互作用
• 3.4.4 位错与层错的互相交割
• 3.5 本章小结
• 第四章 蠕变期间γ′相的定向粗化及影响因素
• 4.1 引言
• 4.2 实验方法
• 4.2.1 试验材料
• 4.2.2 蠕变期间的组织演化
• 4.2.3 元素扩散迁移率的测定
• 4.3 实验结果与分析
• 4.3.1 拉伸蠕变期间γ′相的组织演化
• 4.3.2 蠕变期间γ′相的筏形化速率
• 4.3.3 元素在γ′/γ两相中的分配比及扩散迁移率
• 4.4 讨论
• 4.4.1 γ′相的定向粗化规律
• 4.4.2 元素扩散及γ′相定向生长的驱动力
• 4.4.3 元素相互作用对扩散速率的影响
• 4.4.4 γ′相定向粗化期间的原子定向迁移
• 4.5 本章小结
• 第五章 层错能及其对持久性能的影响
• 5.1 引言
• 5.2 实验方法
• 5.2.1 合金层错能的计算
• 5.2.2 合金层错能的TEM法测算
• 5.2.3 合金内摩擦应力的测定
• 5.2.4 不同合金持久寿命的测定
• 5.3 热力学方法计算合金的层错能
• 5.3.1 计算层错能的热力学模型
• 5.3.2 元素及温度对合金层错能的影响
• 5.3.3 合金层错能的影响因素
• 5.3.4 合金层错能的计算
• 5.4 层错能对合金内摩擦应力及持久寿命的影响
• 5.4.1 蠕变期间位错运动的内摩擦应力
• 5.4.2 合金层错能与应变速率之间的关系
• 5.4.3 层错能对合金持久寿命及蠕变激活能的影响
• 5.5 讨论
• 5.5.1 元素对合金层错能的影响
• 5.5.2 温度对合金层错能的影响
• 5.5.3 层错能对合金内摩擦应力的影响
• 5.6 本章小结
• 第六章 预压缩处理对合金组织结构与蠕变行为的影响
• 6.1 前言
• 6.2 试验方法
• 6.2.1 实验材料
• 6.2.2 镍基单晶合金的预压缩处理
• 6.2.3 P-型结构合金的内摩擦应力
• 6.2.4 P-型结构合金的蠕变曲线测定
• 6.2.5 P-型结构合金在蠕变期间的组织形貌观察
• 6.3 实验结果与分析
• 6.3.1 合金的预先压应力处理
• 6.3.2 P-型结构合金在稳态蠕变期间位错运动的平均内摩擦应力
• 6.3.3 P-型结构合金的拉伸蠕变行为
• 6.3.4 组织结构对蠕变特征的影响
• 6.3.5 压缩蠕变期间的组织演化
• 6.3.6 P-型结构合金在拉伸蠕变期间的组织演化
• 6.4 P-型结构合金组织演化的理论分析
• 6.4.1 拉伸蠕变期间P-型筏状γ′相的分解
• 6.4.2 拉应力作用下溶质元素的定向扩散及γ′相的定向生长
• 6.5 组织结构对拉伸蠕变行为影响的理论分析
• 6.5.1 组织结构对蠕变初始应变量的影响
• 6.5.2 组织结构对稳态蠕变期间应变速率的影响
• 6.6 本章小结
• 第七章 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢