Ru对一种高Re镍基单晶高温合金组织和性能的影响及其机理研究

【摘要】：镍基单晶高温合金由于其具有优异的高温综合性能成为先进航空发动机以及燃气轮机涡轮叶片的首选材料。为了追求更高的服役性能,克服镍基单晶高温合金在实际服役过程中遇到的各种问题,在不断的探索研发过程中Re和Ru被大量的添进高温合金中来提升合金的综合性能。但是Ru对组织演化、其他合金元素在组织演化过程中的分布以及重要的强化相γ'相的影响等都尚未清楚;另一方面,Ru对拉伸和蠕变行为及其变形机制的影响、两种力学测试过程中的位错组态、组织演变以及断裂机制的影响也鲜有报道,并且许多研究结果尚存在争议,同时对于力学变形过程中组织和力学性能的关系也仍需进一步了解。针对以上问题,本文采用不同Ru含量的镍基单晶高温合金(2.5 Ru和3.5 Ru)作为实验材料,利用DTA、XRD、扫描电镜(SEM)以及透射电镜(TEM)等研究了合金长期时效组织演化、拉伸行为和蠕变行为以及相应的组织演变机理,为第四代镍基单晶高温合金的成分设计提供实验数据和理论指导,具有重要的理论意义。通过大量的实验得到的成果如下:Ru含量不同的合金热处理后得到了规则的γ/γ'两相组织,并且由于Ru含量的增加使得γ'两相界面处的错配度变得更负,从而使得完全热处理后的3.5 Ru合金的γ'相尺寸要比2.5 Ru合金更小,立方度更高以及分布更加均匀。根据LSW理论得到2.5 Ru合金γ'相的粗化主要受到界面反应的控制;3.5 Ru合金γ'相的粗化主要受到元素扩散的控制。此外,通过统计得到的尺寸变化发现Ru含量的增加降低了γ'相的粗化速率,促进了完整、稳定以及连续的筏结构的形成。非常特别的是,随着Ru含量的增加只有3.5 Ru合金中偶尔的出现TCP相,这主要是因为γ基体中难熔元素过饱以及温度的共同作用下导致的。TCP相的主要形状有块状、短棒状以及长针状三种,经过TEM得到的衍射斑点确定为μ相。Ru含量不同的合金在室温拉伸条件下γ基体内部均出现了层错,并且3.5 Ru合金在γ'相内部也出现了少量的层错;在760℃拉伸条件下,3.5 Ru合金γ'相内部的层错数量达到最大并且远多于2.5 Ru合金;在1100℃拉伸条件下,合金均未出现层错,取而代之的是两相界面处的位错网格。分析认为层错的形成源于随着Ru含量的增加极大地降低了合金的层错能,同时错配应力也为界面位错反应提供动力。建立了 Ru含量不同的合金在室温和760℃拉伸温度下层错的形成机制,主要由a/2011→a/6112+a/6121+SF in γ 以及 a/2101→a/3211+ a/6121+SFin γ'两种位错反应机制决定。提出γ基体中的扩展位错(层错与a/6112Shockley分位错)以及位于γ'相内部的层错对合金在室温和760℃拉伸温度下的加工硬化行为有重要的贡献,即扩展位错对后续位错的运动有很大的阻碍作用,同时层错也会限制位错发生交滑移或者攀移。在1100℃拉伸条件下实验合金中γ/γ'两相界面处形成位错网格,并且随着Ru含量的增加使位错网格变得更加致密,但由于位错运动的机制由切入γ'相变为绕过γ'相,位错网格并未有效的阻碍位错运动。同时由于Ru含量的增加使得3.5 Ru合金γ基体通道要远宽于2.5 Ru合金,因此为绕过机制提供便利,最终导致3.5 Ru合金的拉伸性能略低于2.5 Ru合金。提出Ru含量不同的合金在室温和760℃拉伸温度下层错和位错的数量主要受到反向畴界能和层错能的竞争结果影响。反向畴界能大于层错能时,中间夹杂着反向畴界的位错对的数量居多;相反的,层错能大于反向畴界能时,层错就占据主导。2.5 Ru合金的蠕变曲线呈现典型的三阶段。然而,3.5 Ru合金比2.5 Ru合金多了一个孕育期,导致蠕变应变率先增大,然后减小稳定在最小蠕变率,最后增大。Ru含量的增加通过增强了 γ基体的强度阻碍了位错的运动,减小初始γ'相的尺寸抑制了γ'相的粗化,最终延长了 3.5 Ru合金初始蠕变阶段的时间,提升了蠕变性能。在1140℃/137 MPa蠕变条件下,Ru含量的增加通过促进致密方形的位错网格的形成,连续的完整的筏化γ'相的形成以及降低了合金的最小蠕变速率等方面,延长了稳态蠕变阶段,使合金的蠕变寿命显著提高,改善了材料的蠕变性能。蠕变断裂之后,γ'析出相中的超位错基本可以分为两类:a010超位错和a101超位错,其中a010超位错主要为长直的超位错形态;而a101超位错呈现出短直具有厚实的位错核心的超位错形态,其主要是由两个相同柏氏矢量的位错对组成,中间往往及夹杂着反向畴界。