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

【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。