多组元作用对第四代镍基单晶高温合金组织和高温低应力蠕变行为的影响.doc

多组元作用对第四代镍基单晶高温合金组织和高温低应力蠕变行为的影响镍基单晶高温合金具有优异的高温综合性能,是先进航空发动机高压涡轮叶片的首选材料。自本世纪以来,以含Re和Ru为特征的第四代单晶合金成为国际高温合金领域的主要研究重点之一。由于单晶合金体系的合金化程度极高,多组元交互作用对组织与性能的影响机理复杂。发挥各合金元素的有益作用,探索部分替代贵重金属Re和Ru的途径,以降低合金密度与成本是当代镍基单晶高温合金成分设计与优化中最具有挑战性的研究问题。基于研究背景和课题组的前期研究工作,本论文系统研究了Co(～7.0/～15.0wt.%),Cr(～3.5/～6.0wt.%)、Mo(～1.0/～2.5wt.%)和Ru(～2.5/～4.0wt.%)等元素对γ和γ’两相的成分分配行为、γ/γ’错配度、组织稳定性(γ/γ’基体组织演变和TCP相析出)以及高温低应力条件下的蠕变性能、组织演变和位错组态的影响规律,分析了四种元素独立和交互作用对合金高温组织稳定性和高温低应力蠕变行为的影响机理。标准热处理后各实验合金中丫和丫’两相的成分分析结果表明：Co和Ru元素降低了Re、W、Mo和Cr元素的γ/γ’两相成分分配比,而Cr和Mo则起相反作用。结合各合金的平衡界面位错网络分析可知,在四种元素自身含量及其对γ/γ’两相成分分配行为影响的共同作用下,Cr、Mo和Ru三种元素提高了γ/γ’错配度大小；而Co对错配度大小起到降低的作用。950℃和1100℃条件下的高温长期热暴露实验结果表明：Co和Ru降低了合金元素的扩散速率从而减缓丫’相的长大过程。此外,Co降低γ/γ’错配度进而减小界面能成为其降低γ’相长大速率的另一重要原因。由于Cr和Mo提高了γ相的过饱和程度,进而显著促进了TCP相的析出,特别是Cr的作用更为明显。增加Co和Ru含量有利于提高γ相的固溶能力并降低其过饱和度。因此,Co和Ru元素抑制了TCP相的析出。与Co相比,单位含量Ru元素的抑制作用更为显著。对不同合金中TCP相的表征结果表明：Co、Cr和Mo三种元素影响TCP相的成分和类型,而Ru的影响并不明显。1100℃下热暴露500h后,高Co含量合金中析出的TCP相均为R相。低Co含量合金中析出的TCP相类型与Cr/Mo比有关；TCP相在高Cr/Mo比的合金中为σ相,而在低Cr/Mo比的合金中为P相。高温低应力(1100℃/140MPa)条件下的蠕变性能、组织演变和位错结果研究表明：价,相界面位错网络结构和TCP相的析出是影响本文实验合金蠕变性能的重要因素。Cr和Mo元素促使γ/γ’相界面位错网络变密,进而发挥重要的蠕变强化作用。但二者含量的增加强烈促进TCP相的析出,最终造成蠕变性能下降。提高Co含量后,γ/γ’相界面位错网络间距增大,进而蠕变性能表现出降低的趋势。Ru元素在提高合金组织稳定性的同时增大了γ/γ’错配度和界面位错网络密度,因而有利于提高合金的蠕变性能。Co、Cr、Mo和Ru四种元素之间的交互作用影响合金的高温低应力蠕变行为。组织稳定性元素Co和Ru(特别是Ru)与蠕变强化元素Cr和Mo之间的协同作用,有利于提高合金在1100℃/140MPa条件下的蠕变性能。同时增加Ru和Cr或Ru和Mo的含量后,合金在蠕变过程中能够形成密集的γ/γ’相界面位错网络结构,并且Ru元素能够抑制Cr和Mo元素引起的组织不稳定性,最终提高蠕变性能。