多組元作用對第四代鎳基單晶高溫合金組織和高溫低應力蠕變行為的影響

多組元作用對第四代鎳基單晶高溫合金組織和高溫低應力蠕變行為的影響鎳基單晶高溫合金具有優(yōu)異的高溫綜合性能,是先進航空發(fā)動機高壓渦輪葉片的首選材料。自本世紀以來,以含Re和Ru為特征的第四代單晶合金成為國際高溫合金領(lǐng)域的主要研究重點之一。由于單晶合金體系的合金化程度極高,多組元交互作用對組織與性能的影響機理復雜。發(fā)揮各合金元素的有益作用,探索部分替代貴重金屬Re和Ru的途徑,以降低合金密度與成本是當代鎳基單晶高溫合金成分設計與優(yōu)化中最具有挑戰(zhàn)性的研究問題?；谘芯勘尘昂驼n題組的前期研究工作,本論文系統(tǒng)研究了Co(～7.0/～15.0wt.%),Cr(～3.5/～6.0wt.%)、Mo(～1.0/～2.5wt.%)和Ru(～2.5/～4.0wt.%)等元素對γ和γ’兩相的成分分配行為、γ/γ’錯配度、組織穩(wěn)定性(γ/γ’基體組織演變和TCP相析出)以及高溫低應力條件下的蠕變性能、組織演變和位錯組態(tài)的影響規(guī)律,分析了四種元素獨立和交互作用對合金高溫組織穩(wěn)定性和高溫低應力蠕變行為的影響機理。標準熱處理后各實驗合金中丫和丫’兩相的成分分析結(jié)果表明：Co和Ru元素降低了Re、W、Mo和Cr元素的γ/γ’兩相成分分配比,而Cr和Mo則起相反作用。結(jié)合各合金的平衡界面位錯網(wǎng)絡分析可知,在四種元素自身含量及其對γ/γ’兩相成分分配行為影響的共同作用下,Cr、Mo和Ru三種元素提高了γ/γ’錯配度大小；而Co對錯配度大小起到降低的作用。950℃和1100℃條件下的高溫長期熱暴露實驗結(jié)果表明：Co和Ru降低了合金元素的擴散速率從而減緩丫’相的長大過程。此外,Co降低γ/γ’錯配度進而減小界面能成為其降低γ’相長大速率的另一重要原因。由于Cr和Mo提高了γ相的過飽和程度,進而顯著促進了TCP相的析出,特別是Cr的作用更為明顯。增加Co和Ru含量有利于提高γ相的固溶能力并降低其過飽和度。因此,Co和Ru元素抑制了TCP相的析出。與Co相比,單位含量Ru元素的抑制作用更為顯著。對不同合金中TCP相的表征結(jié)果表明：Co、Cr和Mo三種元素影響TCP相的成分和類型,而Ru的影響并不明顯。1100℃下熱暴露500h后,高Co含量合金中析出的TCP相均為R相。低Co含量合金中析出的TCP相類型與Cr/Mo比有關(guān)；TCP相在高Cr/Mo比的合金中為σ相,而在低Cr/Mo比的合金中為P相。高溫低應力(1100℃/140MPa)條件下的蠕變性能、組織演變和位錯結(jié)果研究表明：價,相界面位錯網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)和TCP相的析出是影響本文實驗合金蠕變性能的重要因素。Cr和Mo元素促使γ/γ’相界面位錯網(wǎng)絡變密,進而發(fā)揮重要的蠕變強化作用。但二者含量的增加強烈促進TCP相的析出,最終造成蠕變性能下降。提高Co含量后,γ/γ’相界面位錯網(wǎng)絡間距增大,進而蠕變性能表現(xiàn)出降低的趨勢。Ru元素在提高合金組織穩(wěn)定性的同時增大了γ/γ’錯配度和界面位錯網(wǎng)絡密度,因而有利于提高合金的蠕變性能。Co、Cr、Mo和Ru四種元素之間的交互作用影響合金的高溫低應力蠕變行為。組織穩(wěn)定性元素Co和Ru(特別是Ru)與蠕變強化元素Cr和Mo之間的協(xié)同作用,有利于提高合金在1100℃/140MPa條件下的蠕變性能。同時增加Ru和Cr或Ru和M