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钽和钛对新型钴基单晶高温合金组织稳定性与高温蠕变行为的影响研究

薛飞  
【摘要】:近年来,γ’相强化Co-Al-W基合金的发现为发展新型钴基高温合金开辟了新的道路,并迅速成为国际高温合金界的研究热点。然而,由于Co-Al-W基合金的γ’相溶解温度较低且γ/γ’两相区较窄,如何提高γ’相溶解温度并在服役温度下保持长时组织稳定性是发展此类合金的首要问题。同时,发展高性能新型钴基高温合金亟需深入理解其变形机制,特别是更高温度的蠕变行为。由于该类钴基高温合金研发时间较短,相关研究非常有限,并且缺乏热力学数据库的支持,为上述问题的解决带来了挑战。 本论文在前期三元合金研究的基础上,选择并分析了Ta、Ti、Nb、Mo和V等五种合金化元素对Co-9A1-10W基合金四元合金γ’相溶解温度、γ/γ’两相组织演变、二次相析出及长大的影响。基于合金化元素对γ’相溶解温度和组织稳定性影响的规律性认识,进一步研究了Ta和Ti的单独及交互作用对成分分配行为、错配度、高温长时组织演变和高温蠕变行为的影响,分析并阐明Co-Al-W-Ta-Ti单晶高温合金蠕变机理。 合金化元素对显微组织影响的研究表明:Ta、Ti和Nb均不同程度地提高Co-9Al-10W基合金的γ’相溶解温度,其中Ta和Ti的提高作用最为显著。900℃时效后各个四元合金的γ’相体积分数均在74-83%之间,与基础合金没有明显差异。Ta、Nb和Mo显著促进了热处理后二次相μ相和x相的析出,并且这些二次相的析出量随合金化元素含量的提高而明显增多。 在合金化元素对γ’相溶解温度和组织稳定性作用研究的基础上,设计了含有Ta和Ti的Co-7Al-8W基系列合金,并成功使用定向凝固工艺制备了钴基单晶合金,研究了Ta和Ti的单独及交互作用对单晶合金组织稳定性和高温蠕变行为的影响。结果表明:新型钻基高温合金的凝固偏析程度较低,不易形成凝固缺陷,适合制备大尺寸的单晶材料。4at.%Ti比1at.%Ta更显著提高γ’相溶解温度和丫’相体积分数,两者的交互作用进一步提高了γ’相溶解温度和体积分数。在Ta和Ti的共同作用下,W、Ta和Ti等大原子半径元素优先进入γ’相,从而提高γ’相的晶格常数,产生正的γ/γ’两相错配度。含Ta和Ti的五元合金经1050℃/1000h长期时效后依然保持γ/γ’两相结构,γ’体积分数大于60%,组织稳定性显著优于已报道的同类合金。 高温蠕变行为的研究结果表明:含Ta和Ti的五元合金在1000℃左右的蠕变行为由初始蠕变、稳态蠕变和加速蠕变三个阶段组成。其在10000C/137MPa的蠕变性能超过已报道蠕变寿命最长的同类合金,并且在982℃/248MPa条件下的蠕变寿命介于第一代和第二代镍基单晶高温合金之间。在正错配度导致的共格应力和外加拉应力的叠加作用下,γ’相在蠕变过程中沿应力轴方向发生定向粗化,形成平行于应力轴方向的筏排组织。稳态蠕变阶段的主要位错结构为γ/γ’两相界面位错网络、γ’相中的层错和反相畴界。分析表明,筏排组织中连续的γ/γ’两相界面,位错切割γ’相形成的层错和反相畴界,以及γ’相中的位错交截阻碍了位错运动,提供了蠕变抗力。


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