镍基单晶高温合金γ-Ni-γ'-Ni3Al相界中合金元素偏析行为及其对相界热力学稳定性和断裂强度的影响
镍基单晶高温合金是一类在高温环境下应用广泛的材料，拥有优异的高温强度和抗氧化性能。该类合金通常由γ-Ni基体和γ'-Ni3Al间质相构成。然而，合金元素在γ/γ'相界中的偏析行为对合金的性能和稳定性具有重要影响。
γ/γ'相界是合金中重要的界面区域，其热力学稳定性和断裂强度直接影响着合金的整体性能。过量的合金元素偏析会导致相界区域的化学成分不均匀，进而影响相界区域的力学性能。因此，了解合金元素在相界中的偏析行为对于设计和开发镍基单晶高温合金至关重要。
在γ-Ni/γ'-Ni3Al相界中，几种主要的合金元素，如钨（W）、铌（Nb）和铝（Al），都存在偏析倾向。这些元素在常温下主要弥散在γ-Ni基体中，但在高温下会向γ'-Ni3Al 间质相或两相界面偏聚。根据研究发现，这种偏析行为与相界区域的能量状态密切相关。以钨为例，其属于γ'-Ni3Al相中的强晶界偏析元素，添加适量的钨可以提高合金的断裂韧性；而过量的钨偏析则会导致相界区域的脆化，降低合金的强度和耐久性。
除了偏析行为的影响外，合金元素还可以通过改变相界区域的化学成分进而影响相界的热力学稳定性。实验和模拟研究表明，钨的添加可以提高相界的热稳定性，减少相界二次相的析出，从而提高合金的高温强度和抗氧化性能。然而，相界区域的化学成分也受到其他因素的影响，如固溶度限制和固相反应等，这些因素进一步增加了相界区域的复杂性。
总而言之，镍基单晶高温合金γ-Ni/γ'-Ni3Al相界中的
合金元素偏析行为对其热力学稳定性和断裂强度具有重要影响。了解合金元素在相界中的偏析行为可以为合金的设计和开发提供重要的指导。因此，在开发新的镍基单晶高温合金时，需要综合考虑合金元素的偏析行为，并通过合适的合金设计和热处理方法来控制相界区域的化学成分，从而实现材料的优良性能。这将有助于推动镍基单晶高温合金在高温环境下的应用
综上所述，合金元素在镍基单晶高温合金γ-Ni/γ'-
Ni3Al相界中的偏析行为对合金的热力学稳定性和断裂强度起
着重要作用。适量的合金元素可以提高合金的断裂韧性，而过量的元素偏析则会导致相界区域的脆化，降低合金的强度和耐久性。同时，合金元素的添加还可以改变相界区域的化学成分，影响相界的热稳定性，从而提高合金的高温强度和抗氧化性能。然而，相界区域的化学成分受到固溶度限制和固相反应等因素的影响，增加了相界区域的复杂性。因此，在开发新的镍基单晶高温合金时，需要综合考虑合金元素的偏析行为，并通过合适的合金设计和热处理方法来控制相界区域的化学成分，以实现材料的优良性能。这将有助于推动镍基单晶高温合金在高温环境下的应用
镍基单晶高温合金γ-Ni-γ'-Ni3Al相界中合金元素偏析行为及其对相界热力学稳定性和断裂强度的影响 镍基单晶高温合金是一类在高温环境下应用广泛的材料，拥有优异的高温强度和抗氧化性能。该类合金通常由γ-Ni基体和γ'-Ni3Al间质相构成。然而，合金元素在γ/γ'相界中的偏析行为对合金的性能和稳定性具有重要影响。 γ/γ'相界是合金中重要的界面区域，其热力学稳定性和断裂强度直接影响着合金的整体性能。过量的合金元素偏析会导致相界区域的化学成分不均匀，进而影响相界区域的力学性能。因此，了解合金元素在相界中的偏析行为对于设计和开发镍基单晶高温合金至关重要。 在γ-Ni/γ'-Ni3Al相界中，几种主要的合金元素，如钨（W）、铌（Nb）和铝（Al），都存在偏析倾向。这些元素在常温下主要弥散在γ-Ni基体中，但在高温下会向γ'-Ni3Al 间质相或两相界面偏聚。根据研究发现，这种偏析行为与相界区域的能量状态密切相关。以钨为例，其属于γ'-Ni3Al相中的强晶界偏析元素，添加适量的钨可以提高合金的断裂韧性；而过量的钨偏析则会导致相界区域的脆化，降低合金的强度和耐久性。 除了偏析行为的影响外，合金元素还可以通过改变相界区域的化学成分进而影响相界的热力学稳定性。实验和模拟研究表明，钨的添加可以提高相界的热稳定性，减少相界二次相的析出，从而提高合金的高温强度和抗氧化性能。然而，相界区域的化学成分也受到其他因素的影响，如固溶度限制和固相反应等，这些因素进一步增加了相界区域的复杂性。 总而言之，镍基单晶高温合金γ-Ni/γ'-Ni3Al相界中的
合金元素偏析行为对其热力学稳定性和断裂强度具有重要影响。了解合金元素在相界中的偏析行为可以为合金的设计和开发提供重要的指导。因此，在开发新的镍基单晶高温合金时，需要综合考虑合金元素的偏析行为，并通过合适的合金设计和热处理方法来控制相界区域的化学成分，从而实现材料的优良性能。这将有助于推动镍基单晶高温合金在高温环境下的应用 综上所述，合金元素在镍基单晶高温合金γ-Ni/γ'- Ni3Al相界中的偏析行为对合金的热力学稳定性和断裂强度起 着重要作用。适量的合金元素可以提高合金的断裂韧性，而过量的元素偏析则会导致相界区域的脆化，降低合金的强度和耐久性。同时，合金元素的添加还可以改变相界区域的化学成分，影响相界的热稳定性，从而提高合金的高温强度和抗氧化性能。然而，相界区域的化学成分受到固溶度限制和固相反应等因素的影响，增加了相界区域的复杂性。因此，在开发新的镍基单晶高温合金时，需要综合考虑合金元素的偏析行为，并通过合适的合金设计和热处理方法来控制相界区域的化学成分，以实现材料的优良性能。这将有助于推动镍基单晶高温合金在高温环境下的应用
【材料论文】Inconel 718镍基高温合金分析与研究-午虎特种合金技术部 一、Inconel 718 概述 Inconel 718合金是以体心四方的γ"和面心立方的γ′相沉淀强化的镍基高温合金，在-253～700℃温度范围内具有良好的综合性能,650℃以下的屈服强度居变形高温合金的首位,并具有良好的抗疲劳、抗辐射、抗氧化、耐腐蚀性能,以及良好的加工性能、焊接性能和长期组织稳定性，能够制造各种形状复杂的零部件，在宇航、核能、石油工业中，在上述温度范围内获得了极为广泛的应用。 该合金的另一特点是合金组织对热加工工艺特别敏感，掌握合金中相析出和溶解规律及组织与工艺、性能间的相互关系，可针对不同的使用要求制定合理、可行的工艺规程，就能获得可满足不同强度级别和使用要求的各种零件。供应的品种有锻件、锻棒、轧棒、冷轧棒、圆饼、环件、板、带、丝、管等。可制成盘、环、叶片、轴、紧固件和弹性元件、板材结构件、机匣等零部件在航空上长期使用。 1.1 Inconel 718 材料牌号 Inconel 718 1.2 Inconel 718 相近牌号 Inconel 718(美国),NC19FeNb(法国) 1.3 Inconel 718 材料的技术标准 GJB 2612-1996 《焊接用高温合金冷拉丝材规范》 HB 6702-1993 《WZ8系列用Inconel 718合金棒材》 GJB 3165 《航空承力件用高温合金热轧和锻制棒材规范》 GJB 1952 《航空用高温合金冷轧薄板规范》 GJB 1953《航空发动机转动件用高温合金热轧棒材规范》 GJB 2612 《焊接用高温合金冷拉丝材规范》 GJB 3317《航空用高温合金热轧板材规范》 GJB 2297 《航空用高温合金冷拔（轧）无缝管规范》 GJB 3020 《航空用高温合金环坯规范》 GJB 3167 《冷镦用高温合金冷拉丝材规范》 GJB 3318 《航空用高温合金冷轧带材规范》 GJB 2611《航空用高温合金冷拉棒材规范》 YB/T5247 《焊接用高温合金冷拉丝》 YB/T5249 《冷镦用高温合金冷拉丝》 YB/T5245 《普通承力件用高温合金热轧和锻制棒材》 GB/T14993《转动部件用高温合金热轧棒材》 GB/T14994 《高温合金冷拉棒材》 GB/T14995 《高温合金热轧板》 GB/T14996 《高温合金冷轧薄板》 GB/T14997 《高温合金锻制圆饼》 GB/T14998 《高温合金坯件毛坏》 GB/T14992 《高温合金和金属间化合物高温材料的分类和牌号》 HB 5199《航空用高温合金冷轧薄板》 HB 5198 《航空叶片用变形高温合金棒材》 HB 5189 《航空叶片用变形高温合金棒材》 HB 6072 《WZ8系列用Inconel 718合金棒材》 1.4 Inconel 718 化学成分该合金的化学成分分为3类：标准成分、优质成分、高纯成分，见表1-1。优质成分的在标准成分的基础上降碳增铌，从而减少碳化铌的数量，减少疲劳源和
镍基单晶高温合金的高温氧化行为研究 近年来，镍基单晶高温合金(Unstabilized Ni-base single crystal superalloys)作为一种重要的高温结构材料，被广泛应用于先进的航空发动机、燃气轮机和工业炉等高温领域。 在高温氧化环境下，镍基单晶高温合金的高温氧化行为会影响其长期稳定性和机械性能，因此，对其高温氧化行为的研究具有非常重要的意义。 在一定的高温氧化环境下，镍基单晶高温合金会发生氧化反应，产生氧化膜，并伴随着一些质量损失。 氧化膜对合金的保护效果决定了其抗氧化性能，氧化膜的形成过程是由合金表面与氧化环境相互作用而形成的。因此，氧化膜的形态和结构是影响合金高温抗氧化性能的重要因素。然而，氧化膜的形态、结构和物理化学性质受到多种因素的影响，如合金成分、高温氧化环境、温度、气体流速、气氛等。 在不同高温氧化环境下，镍基单晶高温合金的氧化膜主要有铝氧化膜、铬氧化膜和二者混合氧化膜三种形态。这三种氧化膜的形态和结构对合金的抗氧化性能具有不同的影响。 铝氧化膜是镍基单晶高温合金中一种常见的氧化膜和较为理想的氧化膜，具有良好的抗氧化性能和增强金属/氧化物结合强度的功效。在其它环境下，如空气、燃气环境等，镍基单晶高温合金中的铬氧化膜能够提供最好的抗氧化性能和防止高温腐蚀的效果。 不同高温氧化环境下，氧化膜形成的机制各异。在高温氧化环境下，合金表面的Al、Cr元素与氧气结合，形成氧化膜。而当高温氧化环境中的氧气不足时，氧化膜中Al元素成分会显著降低，因此，氧化膜中不同元素的组成和比例是影响其氧化行为的一个重要因素。
此外，氧化膜的形态和厚度也是影响镍基单晶高温合金氧化行为的重要因素。 一般来说，氧化膜越厚，镍基单晶高温合金的抗氧化性能越好，但厚度过大会对合金的机械性能造成不可忽视的影响。 为了研究镍基单晶高温合金的氧化行为，学术界已经开展了大量的研究。例如，研究合金中Al、Cr等元素成分对氧化膜形成和抗氧化性能的影响，研究氧化膜形 成的机制和过程，以及研究氧化膜的形态和结构等等。这些研究成果对于优化镍基单晶高温合金的配方和制造工艺，提高其抗氧化性能和长期稳定性具有重要的意义。 总之，镍基单晶高温合金是一种重要的高温结构材料，在高温氧化环境下，其 氧化行为会影响其长期稳定性和机械性能。针对镍基单晶高温合金的高温氧化行为，学术界已经开展了大量的研究，以期将其抗氧化性能提高到更高的水平。
高温合金材料的金属间化合物 (Inter-metallic compound phase of super-alloy) 过渡族金属元素之间形成的化合物。按晶体结构可分两类，一类称几何密排相(GCP相)，另一类称拓扑密排相(TCP相)。 1.几何密排相为有序结构，高温合金中常见的有如下几种相: γ’相 化学式是Ni3A1，是Cu3Au型面心立方有序结构。铁基高温合金中γ’与γ 基体的点阵错配度一般较小，镍基高温合金中错配度在0.05％～1％之间，随着使用温度升高，错配度减小。由于γ’与γ基体的结构相似，所以γ’相在时效析出时具有弥散均匀形核、共格、质点细而间距小、相界面能低而稳定性高等特点。 γ’相本身具有较高的强度并且在一定温度范围内随温度上升而提高，同时具有一定的塑性。这些基本特点使γ’相成为高温合金最主要的强化相。时效析出的γ’相常为方形和球形，个别情况呈片状和胞状，主要取决于析出温度和点阵错配度。错配度较小或析出温度较低时易成球形，错配度大或析出温度高时易成方形，错配度很大而析出温度又较低时可成为片状和胞状。高温时效时，γ’相不仅在晶内弥散析出，还可以在晶界析出链状的方形γ’相。在长期时效和使用过程中，γ’相会聚集长大。 铸态的一次(γ+γ’)共晶呈花朵状。γ’相中可以溶入合金元素，钴可以置换镍，钛、钒；铌可以置换铝；而铁、铬、钼可置换镍也可置换铝。γ相中含铌、钽、钨等难熔元素增加，γ’相的强度也增加。当合金中γ’相含量较少时，γ相尺寸大小对强度的影响十分敏感，通常0.1～0.5／xm比较合适。当了’相数量达40％以上时，γ’相尺寸大小对合金强度的影响就不大敏感了，允许有大尺寸的γ’相存在。 η相 化学式Ni3Ti为密排六方有序相，其组成较固定，不易固溶其他元素. η相可以直接从γ基体中析出，也可以由高钛低铝(Ti/Al≥2．5)合金中亚稳定的Ni3(Al，Ti)相转变而成。η相的金相形态有两种，一种是晶界胞状，另一种为晶内片状或
合金中的常见相 铁基、镍基和钴基合金的基本组织是合金化的γ相基体和弥散分布的强化相，如各类碳化物、氮化物和金属间化合物及强化晶界的一些碳化物或金属间化合物。析出的强化相的质量分数应为百分之十几至几十。当某些金属间化合物的形态呈片针状或胞状，在晶界上连续分布时，或碳化物呈块状排列，且数量又较多时，则可能损害合金的长期性能。在新研制的合金中，通过“相计算”法，从化学成分上有效地控制有害相(如σ相)的析出。 1. GCP相(金属间化合物Ⅰ) --------几何密排相 a.γ′相(Ni3Al)γ′相是铁-镍基和镍基高温合金中的重要析出强化相，弥散均匀分布，属Cu3Au型面心立方有序结构，其中Cu位置可部分被Co、Cr、Mo 等置换，Au可部分被Ti、Ta、Nb等置换。 液态析出的初生γ′相在镍基铸造合金中常为(γ+ γ′)共晶形式，呈白色花朵块状，分布于晶界和枝晶间。块内的点、条和网状为γ基体。先析出的共晶中含Al、 Ti较少，后期Al、Ti偏聚，γ′相增多，造成(γ+γ′)共晶内富Al、Ti，贫Co、Fe、Mo等元素。在共晶外围Fe、 Co、Mo元素富集而易形成σ相。 初生γ′相共晶对持久强度影响不大，但降低塑性，易成为合金热疲劳开裂的源。故应通过提高浇注时的冷速等方法来避免初生γ′共晶呈大块状或群团状出现。 铸态或固溶冷却时析出或时效析出的γ′相，即固态析出γ′相，主要以二种形态在晶内弥散分布，在合金化程度较低的镍基变形合金和所有铁镍基合金中，γ′ 相呈球状，其尺寸较小;在共格错配度大的合金中，则可呈立方体形，尺寸也较大，有的仅在高倍金相显微镜下能观察到;个别情况呈片状或胞状。在合金长期时效或使用过程中，γ′相聚集长大，失去强化作用，强度和塑性均明显下降。当其发生过时效长大时，通过固溶和时效可重新恢复析出强化的效果。 b. η相(Ni3Ti)具有密排六方晶格的η相其组成较固定。它可直接从γ基体中析出，也可由γ′相转变而来。在钛比铝含量高(Ti/Al≥2.5)和钛、铝
超级不锈钢和镍基合金的区别和联系 咨询热线：400-018-7718 镍基合金是指在650～1000℃高温下有较高的强度与一定的抗氧化腐蚀能力等综合性能的一类合金。按照主要主要性能又细分为镍基耐热合金，镍基耐蚀合金，镍基耐磨合金，镍基精密合金与镍基形状记忆合金等。高温合金按照基体的不同，分为：铁基高温合金，镍基高温合金与钴基高温合金。其中镍基高温合金简称镍基合金。 镍基耐热合金 镍基合金的代表材料有1，Incoloy合金，如Incoloy800，主要成分为；32Ni-21Cr-Ti,Al；属于耐热合金；2，Inconel 合金，如Inconel600，主要成分是；73Ni-15Cr-Ti,Al；属于耐热合金；3，Hastelloy合金，即哈氏合金，如哈氏C-276，主要成分为；56Ni-16Cr-16Mo-4W；属于耐蚀合金；4，Monel合金，即蒙乃尔合金，比如说蒙乃尔400，主要成分是；65Ni-34Cu；属于耐蚀合金； 主要合金元素 主要合金元素有铬、钨、钼、钴、铝、钛、硼、锆等。其中Cr，Ai等主要起抗氧化作用，其他元素有固溶强化，沉淀强化与晶界强化等作用。 在650～1000℃高温下有较高的强度与一定的抗氧化腐蚀能力，由于足够高的高温强度与抗氧化腐蚀能力，所以常用于制造航空发动机叶片和火箭发动机、核反应堆、能源转换设备上的高温零部件。 发展历史 镍基高温合金(以下简称镍基合金)是30年代后期开始研制的。英国于1941年首先生产出镍基合金Nimonic 75(Ni-20Cr-0.4Ti)；为了提高蠕变强度又添加铝，研制出Nimonic 80(Ni-20Cr-2.5Ti-1.3Al)。美国于40年代中期，苏联于40年代后期，中国于50年代中期也研制出镍基合金。镍基合金的发展包括两个方面：合金成分的改进和生产工艺的革新。50年代初，真空熔炼技术的发展，为炼制含高铝和钛的镍基合金创造了条件。初期的镍基合金大都是变
高温合金材料设计与制备的基础探讨(ppt 26页)
项目名称：高温合金材料设计与制备的基础研究首席科学家：孙晓峰中国科学院金属研究所起止年限：2010年1月-2014年8月 依托部门：中国科学院
（3）热加工过程中高温合金的组织演变及性能调控 高温合金塑性加工过程中的微观组织演变动力学及性能调控，高合金化难变形合金的热塑性变形机理；考虑第二相演变的组织预测模型；粗晶和混晶等典型组织缺陷的控制。原始粉末颗粒边界(PPB)的形成机理；粉末高温合金中夹杂物的演变规律；PPB和夹杂物导致粉末高温合金的失效模式。合金雾化过程中熔滴与雾化气体之间两相流流动的热量与动量传输规律；喷射成形沉积坯凝固组织及缺陷的形成和演变规律；电磁场作用下高温合金熔体流动和枝晶生长规律；电场对高温合金强化相溶解和析出的影响规律。 （4）高温合金的损伤机制及表面防护基础理论 高温合金长期组织稳定性以及长时服役条件下组织演变和性能变化规律；典型高温合金部件的损伤和失效模型；高温合金材料的寿命预测理论和方法。高温合金在服役环境中的氧化腐蚀机理；高温合金元素与金属防护涂层之间的热扩散与阻扩散机制；涂层界面成分、界面结构、界面热物性在服役条件下的自适应匹配与相容性；新一代长寿命“自适应型”超高温防护涂层材料设计。 2. 主要研究内容 通过对高温合金成分设计、强化机理、纯净化熔炼、凝固缺陷控制、塑性变形加工、粉末冶金、喷射成形、高温腐蚀与防护、损伤机理及寿命预测等问题开展研究工作，建立高温合金的成分设计――制备成形――组织控制――使役性能之间的关系，形成先进高温合金材料设计和制备加工的基础理论体系。 具体研究内容分为以下几个方面： （1）单晶高温合金成分设计及强韧化机理 研究合金元素在高温合金中的分布、扩散规律及交互作用， 、碳化物、TCP 等析出相的形成和变化规律，晶界和相界几何结构、界面能与化学成分之间的关系；阐明700-1200o C高温下位错和第二相粒子与固溶强化原子或原子团簇的交互作用规律，从微观和介观尺度上揭示Re、Ru、W、Mo等合金元素强韧化的本质；研究高温合金微合金化的基本原理，确定复杂多元体系中合金元素的最佳匹配关系，完善非平衡凝固条件下高温合金成分设计准则。 （2）高温合金纯净化冶炼及凝固成形与缺陷控制 研究高温合金熔体杂质元素去除动力学和热力学理论及合金与坩埚、陶瓷等介质界面冶金化学与热力学行为，掌握熔体纯净度及高温熔体处理对定向凝固液/固界面行为和组织特征的影响规律；采用试验与模拟相结合，研究多场耦
镍基单晶高温合金研究进展 孙晓峰，金涛，周亦胄，胡壮麒 （中国科学院金属研究所，沈阳 110016） 摘要：单晶高温合金具有较高的高温强度、良好的抗氧化和抗热腐蚀性能、优异的蠕变与疲劳抗力、良好的组织稳定性和使用可靠性，广泛应用于涡轮发动机等先进动力推进系统涡轮叶片等部件。由于采用定向凝固工艺消除了晶界，单晶高温合金明显减少了降低熔点的晶界强化元素，使合金的初熔温度提高，能够在较高温度范围进行固溶和时效处理，其高温强度比等轴晶和定向柱晶高温合金大幅度提高。经过几十年的发展，单晶高温合金已经在合金设计方法、组织结构与力学性能关系、纯净化冶炼工艺和定向凝固工艺等方面取得了重要进展。本文从单晶高温合金成分特点、合金元素作用、强化机理、力学性能各向异性、凝固过程及缺陷控制、单晶制备工艺等方面，简要介绍了单晶高温合金的主要研究进展。 关键词：单晶高温合金；强化机理；定向凝固；各向异性 Research Progress of Nickel-base Single Crystal Superalloys Sun Xiaofeng, Jin Tao, Zhou Yizhou, Hu Zhuangqi (Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China) Abstract:Single crystal superalloys have been widely used to make turbine blades and guide vanes for aero-engines and industrial gas turbines because of improved strength, creep-rupture, fatigue, oxidation and hot corrosion properties as well as stable microstructure and reliability at high temperature environments. After removal of grain boundary by using directional solidification technique, grain boundary elements which decrease the incipient melting temperature were reduced remarkably in single crystal superalloys. Consequently, the solution and aging treatment of single crystal superalloys can be done at higher temperature due to the enhanced incipient melting temperature, and then the high temperature strength of single crystal superalloys is higher than that of equiaxed and directionally solidified superalloys. There were great progress on approach of alloy design, relationship between structure and mechanical performances, process of pure smelting and processing of directional solidification in the last decades. The present work reviews these progress from compositions of alloys, role of elements, mechanism of strengthening, anisotropy of mechanical properties, procedure of solidification, control of defects and processing of single crystal superalloys. Key words：single crystal superalloy；mechanism of strengthening；directional solidification；anisotropy of properties —————————————————— 基金项目：国家973计划项目（2010CB631206） 通讯作者：孙晓峰，男，1964年生，研究员，博士生导师
高温合金的固溶强化 镍基、铁基和钴基高温合金中加入适量的合金元素，其原子统计均匀分布在奥氏体基体中，形成内应力场，同时，当奥氏体基体中出项溶质原子非均匀分布或存在短程有序，都构成位错运动的障碍，因此，位错运动的阻力比纯金属大，这就是固溶强化。 1.1固溶强化机理 固溶强化机理可以通过位错克服长、短程内应力场、原子偏聚区和短程有序区等障碍而滑移所需的流变应力来说明。 1.1.1克服晶格畸变引起的长程内应力场所需的流变应力 高温合金基体γ奥氏体，能够溶解大量合金元素。例如，Ni基奥氏体，由于其3d电子层几乎被填满，因而能够溶解大量的Fe、Co、Mo、W、V、Ti、和Al等合金元素，这些元素的原子在基体中任意分布，其原子直径比Ni大，相差1%~13%。因而，使Ni的晶格膨胀，使γ固溶体晶格常数增大。晶格畸变形成长程内应力场，从而阻碍位错运动。 按照Mott和Nabarro理论，对于稀薄固溶体，位错克服长程内应力场而滑移所需的应力为： τ=Gε C （1-1） 式中G为剪切模量，C为固溶原子溶度，ε为晶格失配度，由基体与溶质原子晶格常数之差来表示，即： ε=Δa/(C * a0 ) （1-2） 式中a0为基体的晶格常数，从式（1-1）和（1-2）可见，固溶体的屈服强度应与晶格失配度即晶格常数的变化和溶度成正比。然而，溶度受溶质元素在基体中溶解度限制，超过溶解度 要析出第二相，使性能变坏。从实验测得的Ni基 二元合金晶格常数变化对屈服强度的影响见下图。 可见，屈服强度的增加的确与晶格常数的增加呈线 性关系。但不是晶格常数的单一函数，屈服强度的 增加还与合金元素在周期表中的位置，即与合金元 素的电子空穴数Nv有关。电子空穴数Nv大者， 屈服强度的增加要大。例如在同一晶格常数变化 下，Ti对屈服强度增加最大（Nv为6.66），CrMoW （4.66）次之，Fe（2.66）再次之，Co（0.66）最 小。这是由于加入合金元素能够降低γ基体的堆垛 层错能，Nv值大者降低层错能大，屈服强度增加 大，反之亦然。
镍基高温合金中合金元素晶界偏析行为及其对晶界性能 的影响 镍基高温合金是一类具有优异高温力学性能的合金材料，在航空航天、能源等领域具有重要的应用价值。而晶界是镍基高温合金中晶粒之间的分界面，其特性对合金的整体性能具有重要影响。本文将探讨镍基高温合金中合金元素晶界偏析行为及其对晶界性能的影响。 首先，我们需要了解晶界偏析现象。晶界是由不同晶粒的结合面组成，晶界处原子之间存在着不同的化学环境和缺陷。在合金元素的作用下，晶界处的元素分布会发生偏离均匀分布的现象，这就是晶界偏析。晶界偏析行为受多种因素影响，包括合金元素的种类、浓度、晶界能等。 其次，我们探讨晶界偏析对晶界性能的影响。晶界偏析会引起晶界处的化学变化，导致晶界能量增加或减小。晶界能量的变化会直接影响晶界的稳定性和力学性能。例如，合金元素在晶界上的偏离行为可能会导致晶界能增加，从而降低晶界的稳定性。此外，偏析元素还会影响晶界的扩散速率和位错活动程度，进而影响合金的变形行为和抗氧化性能。 晶界的稳定性是镍基高温合金中晶界性能的关键因素之一。晶界能量的变化对晶界的疲劳裂纹扩展行为、晶界滑移和扩散等都有影响。当晶界处存在着偏析元素时，晶界能量的变化会导致衍射位错的形成和运动，从而增加了晶界的应力集中程度，提高了晶界的屈服强度和断裂韧性。 此外，晶界偏析还对镍基高温合金的抗氧化性能产生影响。晶界是合金中最容易发生氧化的部分，而偏析元素的存在会改变晶界化学成分，进而影响晶界处的氧化行为。一些元素的偏
源会明显降低晶界的抗氧化能力，导致合金在高温环境下的氧化速率加快。 为了降低晶界偏析的影响，我们可以考虑优化合金配方和加工工艺。通过选择合适的合金元素和控制元素浓度，可以减轻晶界偏析现象的发生。此外，采用适当的加工工艺，如热处理、变形处理等，也可以改善晶界的稳定性和性能。 综上所述，镍基高温合金中合金元素晶界偏析行为对晶界性能具有重要影响。晶界偏析会导致晶界能量变化，进而影响晶界的稳定性、力学性能和抗氧化性能。通过优化合金配方和加工工艺，可以减轻晶界偏析现象的发生，提高合金的综合性能。因此，进一步研究晶界偏析行为和其对合金性能的影响具有重要的理论意义和应用价值 综合来看，晶界偏析是影响镍基高温合金晶界性能的重要因素之一。晶界能量的变化会影响晶界的疲劳裂纹扩展行为、晶界滑移和扩散等。晶界偏析还会影响晶界的抗氧化性能，降低合金在高温环境下的氧化速率。为了减轻晶界偏析的影响，可以优化合金配方和加工工艺，选择合适的合金元素和控制元素浓度，并采用适当的加工工艺来改善晶界的稳定性和性能。因此，进一步研究晶界偏析行为和其对合金性能的影响具有重要的理论意义和应用价值
镍基高温合金的研究和应用 王睿 【摘要】镍基高温合金是通常以镍铬为合金基体,并根据具体需求加入不同的合金元素,从而形成的单一奥氏体基体组织.由于镍元素在化学稳定性、合金化能力和想 稳定性上的优势,镍基高温合金相对于铁基和钴基高温合金具有更优异的高温强度、抗疲劳性能、抗热腐蚀性、组织稳定性等性能.经过几十年发展和完善,我国高温合 金领域在合金设计方法、合金种类、冶炼和热处理工艺、工业化管理等方面均取得了较大的进展,而凭借其独特的优势,镍基高温合金已经成为当代航空航天和燃气轮 机工业中地位最重要的高温结构材料.本文主要从常见镍基高温合金分类、冶炼工 艺和处理方式、强化机理以及合金化等方面,简要介绍了镍基高温合金的主要研究 进展和实际应用.%Nickel-base high-temperature alloys are usually made of nickel-chromium alloy and different alloy elements are added according to specific requirements, thus forming a single austenitic matrix. Because of the advantages of chemical stability, alloying ability and relative stability of nickel element, Nickel-base high-temperature alloys has more excellent high temperature strength, fatigue resistance, thermal properties, such as corrosion resistance, stability of the organization. After decades of development and improvement, the high temperature alloys in China have made great progress in the aspects of alloy design methods, alloy types, smelting and heat treatment processes, industrialization management, etc. With their unique advantages, Ni-based superalloys have become the most important high temperature structural materials in the aerospace and gas turbine industries. In this paper, the main research progress and
航空航天镍基高温合金的研究现状 1万艳松2鞠祖强 南昌航空大学航空制造工程学院10032129 万艳松 南昌航空大学航空制造工程学院10032121 鞠祖强 摘要 简单介绍了镍基高温合金的发展历程，综述了近年来镍基高温合金的研究进展，并探讨了镍基高温合金的应用和发展趋势。 关键字：镍基高温合金性能发展现状 1.引言 高温合金是一种能够在600℃以上及一定应力条件下长期工作的金属材料，而镍基高温合金是以镍为基体(含量一般大于50%) 在650～1000℃范围内具有较高的强度和良好的抗氧化、抗燃气腐蚀能力的高温合金。 2.镍基高温合金发展过程 镍基高温合金(以下简称镍基合金)是30年代后期开始研制的。英国于1941年首先生产出镍基合金Nimonic 75(Ni-20Cr-0.4Ti)；为了提高蠕变强度又添加铝，研制出Nimonic 80(Ni-20Cr-2.5Ti-1.3Al)。美国于40年代中期，苏联于40年代后期，中国于50年代中期也研制出镍基合金。镍基合金的发展包括两个方面：合金成分的改进和生产工艺的革新。50年代初，真空熔炼技术的发展，为炼制含高铝和钛的镍基合金创造了条件。初期的镍基合金大都是变形合金。50年代后期，由于涡轮叶片工作温度的提高，要求合金有更高的高温强度，但是合金的强度高了，就难以变形，甚至不能变形，于是采用熔模精密铸造工艺，发展出一系列具有良好高温强度的铸造合金。60年代中期发展出性能更好的定向结晶和单晶高温合金以及粉末冶金高温合金。为了满足舰船和工业燃气轮机的需要，60年代以来还发展出一批抗热腐蚀性能较好、组织稳定的高铬镍基合金。在从40年代初到70年代末大约40年的时间内，镍基合金的工作温度从700℃提高到1100℃，平均每年提高10℃左右。 3.镍基高温合金成分和性能 镍基合金是高温合金中应用最广、高温强度最高的一类合金。其主要原因，一是镍基合金中可以溶解较多合金元素，且能保持较好的组织稳定性；二是可以形成共格有序的A3B型金属间化合物γ'[Ni3(Al，Ti)]相作为强化相，使合金得到有效的强化，获得比铁基高温合金和钴基高温合金更高的高温强度；三是含铬的镍基合金具有比铁基高温合金更好的抗氧化和抗燃气腐蚀能力。镍基合金含有十多种元素，其中Cr 主要起抗氧化和抗腐蚀作用，其他元素主要起强化作用。根据它们的强化作用方式可分为：固溶强化元素，如钨、钼、钴、铬和钒等；沉淀强化元素，如铝、钛、铌和钽；晶界强化元素，如硼、锆、镁和稀土元素等。
镍基高温合金的强化原理 引言： 镍基高温合金是一种具有优异高温力学性能的材料，被广泛应用于航空航天、能源和化工等领域。其高温强化原理是该合金具有复杂的微观组织结构，其中包含了多种强化相，这些强化相通过不同的机制增强了合金的力学性能。 一、固溶强化 镍基高温合金中的镍基固溶体是合金的主要组成部分，通过固溶强化可以提高合金的强度和硬度。固溶强化是指通过将合金中的合金元素溶解到固溶体中，形成固溶体溶解度的限制，从而增强合金的力学性能。固溶强化的效果受溶质元素浓度、溶解度和固溶体晶格结构等因素的影响。 二、析出强化 镍基高温合金中的强化相主要是通过析出来增强合金的力学性能。在合金的固溶体中，一些合金元素具有较低的溶解度，当合金冷却时，这些元素会从固溶体中析出形成强化相。这些强化相的形态和尺寸对合金的强度和硬度起着重要的影响。常见的强化相有γ'相、γ''相和硬质相等。 1. γ'相 γ'相是一种具有面心立方结构的强化相，其组成为Ni3(Al, Ti)。γ'相
的形成可以通过固溶强化和析出强化两种机制。固溶强化是指通过固溶体中的Al和Ti元素形成γ'相的过程，而析出强化是指通过在固溶体中析出Al和Ti元素形成γ'相的过程。γ'相具有优异的力学性能，包括高强度、高硬度和良好的抗高温蠕变性能。 2. γ''相 γ''相是一种具有体心立方结构的强化相，其组成为Ni3Nb。γ''相的形成是通过在固溶体中析出Nb元素形成的。γ''相具有良好的抗高温蠕变性能和高强度，但硬度相对较低。 3. 硬质相 硬质相是指在镍基高温合金中析出的一些质量分数较低的元素形成的相，如硼化物、碳化物等。硬质相具有高硬度和抗热腐蚀性能，可以有效提高合金的抗蠕变性能和抗热疲劳性能。 三、位错强化 位错强化是指在晶格缺陷处形成的位错对合金的强化作用。位错是晶体中的一种缺陷，可以通过向位错线周围引入其他原子来增加合金的强度。位错强化的机制包括位错交互作用、位错抵消和位错阻尼等。 四、相界强化 相界是不同晶粒之间的界面，相界强化是指这些界面对合金力学性能的影响。相界处存在着位错、固溶体和强化相的局部偏析现象，
DD6镍基单晶涡轮转子叶片失效分析 胡霖;佟文伟;高志坤;韩振宇 【摘要】为了排除某航空发动机DD6镍基单晶高温合金涡轮转子叶片在室温振动试验中发生的裂纹故障,对故障叶片进行了外观检查、断口分析、表面检查、解剖检查、化学成分分析、金相检查、应力分布计算及热模拟试验,确定了故障叶片裂纹的性质和产生原因.结果表明:涡轮转子叶片裂纹为高周疲劳裂纹,叶片局部区域存在异常的γ'筏排组织是导致该叶片产生早期疲劳开裂的主要原因,且附近区域腐蚀过重及结构上处于应力集中区,也促进了疲劳裂纹的萌生及扩展.针对这些故障,建议优化叶片结构并对腐蚀检查进行严格监控,防止出现γ’筏排组织及腐蚀过重现象,从而避免此类故障再次发生. 【期刊名称】《航空发动机》 【年(卷),期】2016(042)004 【总页数】6页(P81-86) 【关键词】DD6镍基单晶;涡轮转子叶片;γ’筏排组织;故障分析;航空发动机 【作者】胡霖;佟文伟;高志坤;韩振宇 【作者单位】中航工业沈阳发动机设计研究所,沈阳10015;中航工业沈阳发动机设计研究所,沈阳10015;中航工业沈阳发动机设计研究所,沈阳10015;中航工业沈阳发动机设计研究所,沈阳10015 【正文语种】中文 【中图分类】V232.4
涡轮前燃气温度的高低是衡量航空发动机性能好坏的重要指标之一。燃气温度从1200℃升高到1350℃，发动机单位推力可提高15%，耗油率降低8%，而温度的升高必然导致涡轮转子叶片寿命的降低［1］。而材料的温度降低15 K，寿命将延长1倍；反之，温度升高，寿命会大幅度缩短［2］。为提高叶片承温能力，采用空心气膜冷却技术［3］、热障涂层技术［4-5］或单晶高温合金材料［6］已成为有效的解决方案。 DD6镍基单晶高温合金是国内成功研制的低成本第2代单晶合金［7］。与传统 的等轴晶合金、定向合金和已成功应用的第2代CMSX-4单晶合金相比，具有更 好的高温综合性能［8-9］，已成为国内某型先进航空发动机涡轮转子叶片的主要材料。早期有学者对高温条件下单晶合金DD6和CMSX-4的蠕变性能进行了对比试验研究，结果表明，在980℃试验条件下，［001］取向的2种材料变形0.5% 所需时间分别为77.1 h和16.0 h；在850℃试验条件下则需18.2 h和0.31 h ［10］，可见单晶合金DD6明显较优异。 新材料的涡轮转子叶片在装机使用前需进行多项模拟考核试验［11］，目的是找 到新材料叶片结构中的设计缺陷或叶片生产工艺中的不足。本文针对在振动试验过程中DD6镍基单晶涡轮转子叶片出现异常裂纹的现象，对故障叶片裂纹进行失效分析，找出失效原因，分析失效机理，并提出相应的改进建议，为今后DD6镍基单晶涡轮转子叶片的高可靠性应用提供重要的技术支撑。 叶片材料为DD6镍基单晶高温合金的化学成分见表1。该叶片主要制造工艺为定 向凝固→脱壳脱芯→铸态检查→真空热处理→检测与检验。叶片精铸件经X射线 检查仪测试结晶取向，［001］结晶取向与叶片精铸件主应力轴的偏离应不大于相关标准规定角度。 2.1 外观检查 DD6合金叶片振动疲劳试验在特定振动应力条件下进行。当循环至2.51×106时，
铪在高温合金中的应用及回收 郭树军; 董雪平 【期刊名称】《《广州化工》》 【年(卷),期】2019(047)013 【总页数】3页(P38-40) 【关键词】铪; 高温合金; 应用; 回收; 新材料 【作者】郭树军; 董雪平 【作者单位】全南晶环科技有限责任公司江西赣州 341800 【正文语种】中文 【中图分类】TF802.2 铪是一种稀有难熔金属，没有单独的矿物，在自然界中和锆总是伴生在一起；锆矿中一般都含有1%～2%的铪[1]。生产使用的海绵铪制备的关键技术是锆铪分离： 第一类方法是湿法溶剂萃取法进行锆铪分离，其中包括MIBK、N235、TBP等[2]；第二类方法是火法精馏法进行锆铪分离，包括使用氯化或者溴化进行分离[3]。 高温合金是指在600 ℃或者以上的高温条件下，承受较大复杂应力，并具有一定 的表面稳定性的高合金化铁基、镍基、钴基奥氏体金属材料[4-5]。它具有良好的 高温强度和高温蠕变性能、优异的抗腐蚀性能与耐磨蚀性能、良好的组织稳定性和工艺性能，目前被广泛应用于航空航天、工业用燃气轮机、石油化工设备以及能源转换装置中。高温合金[5]按照合金基体分为铁基高温合金、镍基高温合金、钴基
高温合金，其中镍基高温合金在航空航天事业中应用非常广泛。将铪应用于镍基高温合金中，能够极大提高合金材料的性能。 高温合金是发动机主要材料，未来需求超2万吨[6]，高温合金市场进入壁垒高， 潜在竞争少。高温合金材料领域技术含量很高，目前具有完整高温合金体系的国家只有美、英、俄、中四国，能够生产航空航天用高温合金的企业也不超过50家，整个行业具有较为明显的寡头特征。图1为金属铪及高温合金制备示意图。 图1 金属铪及高温合金制备示意图Fig.1 Schematic diagram of preparation of hafnium and superalloy 1 铪的应用 1.1 铪的应用 金属铪的应用除去在核电应用领域的铪控制棒[7]以外，在非核领域也有广泛的应用，铪在合金的应用明显能够改善合金的性能，如铪在高温合金[8]、镍钛基合金[9]、铌基合金[10]、稀土永磁材料[11]、铝合金[12]、非晶合金[13]、铜合金[14] 的应用；铪在新材料的应用方向有等离子体切割的铪丝[15]、光学镀膜[16]及半导体存储器件[17]的铪靶材、铪弹[18]等。图2为金属铪的应用。 图2 金属铪的应用Fig.2 Application of hafnium metal 1.2 铪在高温合金中的应用[19-24] 侯介山等研究了Hf对合金高温性能的影响，结果表明，Hf有利于蠕变寿命的提高。高温合金中加入Hf，Hf原子主要直接溶解到γ’相中，使γ’相的成分变为 Ni3(Al,Ti,Hf)。Ni3Al中可以溶解约7at%的铪，加入铸造镍基高温合金中的Hf有90%进入到γ’相(含γ’+γ共晶)，进入γ’相的Hf使γ’相数量增多，增加γ’相的强化效果。铪同时又是极强的碳化物形成元素，铪能够阻止M23C6/M6C沿晶界大量析出，能与MC分解而放出的碳形成二次稳定的MC主要是HfC，析出 细小、分散、不规则的MC的颗粒。进一步研究认为，在凝固过程中铪在γ’相中
2 CN.X 汽轮机汽封用高温合金弹簧及其加工方法和检验装置 3 CN.1 耐高温磨耗辊轮修护用焊接合金材料 4 CN.2 一种兼顾高温蠕变与韧性的Fe-Cr-Ni基铸造合金及其制法 5 CN.4 一种超高碳Cr-Ni-C高温耐磨合金材料 6 CN.2 一种高温耐磨耐蚀Ni-Mo-Si金属硅化物合金材料 7 CN.8 高温合金的电化学分解方法 8 CN.0 抗高温磨粒磨损堆焊合金材料 9 CN.3 电弧炉冶炼镍基高温合金的工艺方法 10 CN.4 耐高温抗氧化贱金属铜银合金组合物及其生产方法 11 CN.3 具有良好耐高温氧化性的耐热合金的制备方法 12 CN.0 一种铬基高温合金 13 CN.0 一种抗金属灰化、炭化铁镍铬基铸造高温合金 14 CN.3 高温镍氢电池用贮氢合金材料及制法 15 CN.4 高温耐磨耐腐蚀Cr-Ni-Si金属硅化物合金材料 16 CN.1 耐高温腐蚀合金、热障涂层材料、涡轮机构件及燃气涡轮机 17 CN.4 一种单晶高温合金定向凝固过程温度场数据自动采集方法 18 CN.9 提高TiAl合金抗高温氧化的铬改性铝化物涂层的制备 19 CN.5 铜基合金及其制造方法以及铜基合金制气化器等的耐高温性部件 20 CN.3 长轴类高温合金大锻件整体锻造工艺 21 CN.9 表面合金化的高温合金 22 CN.X 一种抗金属灰化高强度高温耐蚀合金 23 CN.1 一种耐高温耐磨损高强度合金的制备方法 24 CN.1 一种镍基高温合金锻件和棒材获得均匀超细晶粒的方法 25 CN.X 一种由铁－镍超级高温合金组成的耐高温材料体的制造方法 26 CN.4 耐高温低膨胀锌基耐磨合金 27 CN.3 一种合金钢、特种钢、高温合金管的制造方法 28 CN.5 高强度镍基铸造高温合金 29 CN 高温耐热铁基合金 30 CN 高温合金盐浴渗硼剂及其制备方法 31 CN 提高高温合金锻造质量的一种简单新工艺 32 CN 超高温耐磨铸造镍基合金 33 CN 高碳低合金钢高温形变球化退火工艺 34 CN 镍基高温合金可锻性改进 35 CN 耐高温冲击磨损等离子喷焊镍基合金加碳化物复合粉末涂层材料 36 CN 改进选定的铬－钼改良型合金钢高温特性和可焊性的方法 37 CN 电气开关用的高温触点合金 38 CN.2 高温用快速凝固含硅铝基合金 39 CN.1 无稀土高温超导合金及其制备方法 40 CN.3 高温自润滑镍基合金 41 CN.5 一种提高高温合金性能的方法 42 CN.9 供超高温合金用的富集钇的铝化物涂层 43 CN.8 抗氧化的低膨胀高温合金 44 CN.5 改进的高温钎焊合金及有关方法