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元素Re对单晶镍基合金TCP相形态及蠕变行为的影响

王明罡  
【摘要】: 本文通过对镍基合金进行优化成分设计,并对合金中TCP相的析出倾向进行预测和验证,考察了有/无元素Re镍基合金中TCP相在高温有/无应力时效期间的析出特征及演化规律,研究了元素Re对TCP相形态及合金持久寿命的影响规律。通过测定不同合金在不同条件下的X-ray衍射谱线,计算出不同合金中γ′、γ两相的晶格常数及错配度,研究了元素Re及温度对合金中γ′、γ两相晶格错配度的影响规律;通过对不同镍基单晶合金进行蠕变性能测试及组织形貌观察,研究了不同合金的蠕变行为及影响因素,得出主要结论如下: 采用Md法和Nv法可对镍基合金中TCP相的析出倾向进行预测,并确定出含Re镍基合金中有TCP相析出的临界值分别为:Md 0.98和Nv 2.1。通过理论预测及验证,元素Re、Mo、W可强烈促进镍基合金中TCP相的析出,确定出析出的TCP相为μ相;在1040℃和1100℃长期时效期间,6%W合金和4.5%Re合金中析出的μ相在{111}晶面沿110晶向呈片状生长,其中在{100}晶面μ相呈现相互平行或垂直排列的针状形貌,而在{111}晶面呈现的针状μ相互成60°角排列。在1040℃长期时效期间,无Re的6%W合金中析出的μ相尺寸较短,随时效时间延长不发生球化;而4.5%Re合金在1100℃长期时效期间,随时效时间延长,析出的μ相发生粗化呈现凹凸不平特征,并逐渐转变成球状形态,其中,在片状μ相不同区域的化学位差促使溶质元素向相邻γ′相中扩散,是导致μ相不断溶解及发生球化的主要原因。由于析出μ相可消耗合金中的难溶元素,降低基体的合金化程度和蠕变抗力,因此,可明显降低合金的持久寿命;在施加应力的蠕变期间,析出的针状μ相易于产生应力集中,可加速裂纹的萌生和扩展,是较大幅度降低合金持久寿命的主要原因;而在近球状μ相区域不易产生应力集中,是使合金持久寿命降低幅度减小的主要原因。 铸态单晶合金的枝晶干和枝晶间区域,γ′相具有不同的尺寸和形态,并存在明显的元素偏析,元素Re、W、Cr、Mo为枝晶干偏析元素,元素Al、Ta、Co为枝晶间偏析元素,随固溶温度提高,元素在枝晶干/枝晶间的偏析程度减少,并致使合金的持久寿命提高。铸态合金中γ、γ′两相有较大的晶格常数及错配度;经高温固溶及完全热处理后,立方γ′相以共格方式嵌镶在γ基体中,合金中γ′、γ两相的晶格常数及错配度略有减小;经有/无应力的长期时效后,使合金中γ′相粗化,并在两相之间出现界面位错,使合金中γ′、γ两相的晶格常数及错配度的绝对值增加。随元素Re含量提高,单晶合金中γ、γ′两相的晶格常数增加,晶格错配度的绝对值减小,致使蠕变期间合金中γ′相的筏形化速率降低,并较大幅度提高合金的高温持久性能;随温度提高,合金中γ、γ′两相的晶格常数及错配度的绝对值增加。 元素Re可明显提高合金的蠕变抗力和持久寿命,与2%Re合金相比,4.2%Re合金具有较好的蠕变抗力和较长的蠕变寿命;在试验的温度和施加应力范围内,测算出两合金的表观蠕变激活能分别为Q1 = 461.5kJ/mol、Q2 = 497.9 kJ/mol。在高温低应力的蠕变初始阶段,单晶合金的变形机制是(1/2)110位错在基体通道的八面体滑移系中以交滑移方式运动,在稳态蠕变期间合金的变形机制是位错通过攀移越过筏状γ′相,而在蠕变后期,合金的变形机制是110超位错剪切进入筏状γ′相。在中温高应力蠕变期间,合金的变形机制是(1/2)110位错在基体通道中运动,并有110超位错切入γ′相内,其切入γ′相位错可发生分解,形成不全位错+层错的位错组态,阻碍位错的滑移是使合金具有较好蠕变抗力的主要原因。


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