单晶高温合金概述
单晶高温合金是含有Ni、Cr、Co、W、Al等多种合金元素并采用定向凝固和选晶/籽晶技术制造的按照预定方向生长具有单一柱状晶组织的铸造高温合金，合金的综合性能优异。
单晶高温合金在航空发动机上仅用于制造单晶叶片，其中的单晶涡轮转子叶片是航空发动机热端关键部件，工作在高温度、高压力、燃气腐蚀等极为苛刻的条件下，技术难度很高，被视为航空发动机“皇冠上的明珠”一台先进航空发动机约需要100～200片单晶叶片，单晶合金叶片总重不超过50公斤
20世纪80年代初期以来，第一代单晶高温合金PWA1480、ReneN4等在多种航空发动机上获得广泛应用。80年代后期以来，以PWA1484、ReneN5为代表的第二代单晶高温合金叶片也在CFM56、F100、F110、PW4000等先进航空发动机上得到大量使用，目前美国的第二代单晶高温合金已成熟，并广泛应用在军民用航空发动机上。90年代后期以来，美国研制成功第三代单晶高温合金CMSX-10。之后，GE、P&W 以及NASA合作开发了第四代单晶高温合金EPM-102。法国和英国也分别研制单晶高温合金，并实现了工程应用。近年来，日本又相继成功的研制了承温能力更高的第四、第五、第六
代单晶合金TMS-138,TMS-162,TMS-238等。
我国的单晶高温合金是由中航工业航材院于20世纪80年代初率先开始研究的，并成功研制出我国第一代单晶高温合金DD4。90年代又成功研制了第二代单晶高温合金DD6，并广泛应用已多种型号的先进航空发动机上。此外，我国的第三代单晶高温合金主要有北京航空材料研究院先进高温结构材料重点实验室研制的DD9与DD10、中国科学院金属研究所高温合金研究部研制的DD32、DD33、中国科学院金属研究所研制的DD90；第四代单晶高温合金是由中国科学院金属研究所研制的DD22；第五代单晶高温合金为陕西炼石有色研制的含铼高温合金材料。这些材料的目前仅限于实验室研发。
高温合金材料发展现状与趋势高温合金是指具有优异的高温强度、高温蠕变和高温抗氧化性 能的材料。这些材料被广泛应用于航空航天、火箭、汽车、能源、化工和核工业等领域。随着这些领域对高温材料需求的不断增加，高温合金材料也因此得到了广泛的关注和研发。本文旨在对高温 合金材料的发展现状和未来趋势进行探讨。 一、高温合金材料的分类 高温合金材料主要可分为镍基高温合金、铬基高温合金和钛基 高温合金。其中镍基高温合金是应用最为广泛的一类高温合金。 镍基高温合金具有强的抗氧化性、良好的高温蠕变和高温疲劳性能、优异的耐腐蚀性、高的热强度和热稳定性等优点，被广泛应 用于各种高温领域。 二、高温合金材料的发展现状 高温合金材料的发展历程可以追溯到20世纪50年代。在此以前，主要采用的是铁基合金，但铁基合金存在工作温度范围狭窄、低温下脆性易剥落等缺点。20世纪50年代中期，美国医生·布拉 斯特博士首次成功研制出镍基合金，开创了高温合金材料的新时代。70年代至80年代之间，欧美日等国的高温合金技术突飞猛进，并得到广泛推广应用。
目前，高温合金材料已经具备了广泛的应用场景和应用前景，尤其是在航空航天、火箭、船舶、发电等领域。随着材料科学技术的逐步提高，未来高温合金的研究和应用将更加广泛，发展也将日益壮大。 三、高温合金材料的未来趋势 1. 单晶高温合金材料将得到广泛应用 单晶高温合金材料是指各向同性粉末冶金高温合金，具有耐蠕变和循环寿命长、耐热劣化和抗氧化性能好的特点。单晶高温合金材料主要应用于高温部件上，例如发动机涡轮叶片、转子盘、燃烧室内强制部件等方面。 2. 复合材料和纳米材料将成为研究热点 复合材料和纳米材料将成为高温合金材料的研究热点。复合材料具有优良的力学性能和耐热性能，可以制备成薄壁结构材料和非对称结构材料等多种形状的零部件。纳米材料具有优异的力学性能和微观结构特性，可以强化高温合金材料的高温强度和热稳定性能。 3. 新型高温合金材料将不断发展 新型高温合金材料将不断涌现，例如具有先进内部组织结构的超高温合金材料和低密度强韧高温合金材料等。这些新型材料将
镍基单晶高温合金 镍基单晶高温合金是一种重要的高温结构材料，具有优异的高温强度、抗氧化性和耐蠕变性，被广泛应用于航空航天、能源和化工等领域。 我们来了解一下什么是单晶材料。与普通多晶材料不同，单晶材料是由统一的晶格结构组成，晶体中没有晶界和晶界的错位。这种特殊的结构使得单晶材料具有更好的力学性能和高温特性。 镍基单晶高温合金是以镍为基础元素，加入适量的铬、钼、铝等合金元素，并通过精细的熔炼和铸造工艺制备而成。这种合金具有优异的高温力学性能和抗氧化性能，能够在高温、高压和复杂的工作环境下保持稳定的性能。 镍基单晶高温合金的优点主要包括以下几个方面： 1. 高温强度：镍基单晶高温合金具有出色的高温强度，能够在高温下承受较大的载荷。这使得它成为航空发动机中关键部件的理想材料，如涡轮叶片、燃烧室等。 2. 抗氧化性能：镍基单晶高温合金具有良好的抗氧化性能，能够在高温下形成致密的氧化层，起到防止高温氧化和腐蚀的作用。这使得它在高温气体中的应用具有显著的优势。 3. 耐蠕变性：镍基单晶高温合金具有优异的耐蠕变性能，能够在高
温下长时间保持稳定的尺寸和形状。这种特性使得它在高温结构中的应用非常广泛，如燃气轮机、石化设备等。 4. 热疲劳性能：镍基单晶高温合金具有较好的热疲劳性能，能够在高温循环加载下保持较高的强度和韧性。这使得它在高温工况下的可靠性得到了保证，延长了材料的使用寿命。 除了以上的优点，镍基单晶高温合金还具有较好的可焊性、可加工性和可修复性，使得其在制造和维修过程中更加方便和经济。 然而，镍基单晶高温合金也存在一些挑战和问题。首先，制备镍基单晶高温合金的工艺较为复杂，需要严格的熔炼和铸造条件，以保证单晶结构的形成。其次，镍基单晶高温合金的成本较高，制造和加工难度较大，限制了其在一些领域的广泛应用。 为了克服这些问题，研究人员正在不断努力改进镍基单晶高温合金的制备工艺和性能。通过优化合金配方、改进熔炼和铸造工艺，以及引入新的合金元素和复合材料技术，可以进一步提高镍基单晶高温合金的性能和降低制造成本。 镍基单晶高温合金作为一种重要的高温结构材料，具有优异的高温强度、抗氧化性能和耐蠕变性，被广泛应用于航空航天、能源和化工等领域。随着制备技术的不断进步和材料性能的不断优化，镍基单晶高温合金将在未来发展中发挥更加重要的作用。
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。
单晶高温合金概述 单晶高温合金是含有Ni、Cr、Co、W、Al等多种合金元素并采用定向凝固和选晶/籽晶技术制造的按照预定方向生长具有单一柱状晶组织的铸造高温合金，合金的综合性能优异。 单晶高温合金在航空发动机上仅用于制造单晶叶片，其中的单晶涡轮转子叶片是航空发动机热端关键部件，工作在高温度、高压力、燃气腐蚀等极为苛刻的条件下，技术难度很高，被视为航空发动机“皇冠上的明珠”一台先进航空发动机约需要100～200片单晶叶片，单晶合金叶片总重不超过50公斤 20世纪80年代初期以来，第一代单晶高温合金PWA1480、ReneN4等在多种航空发动机上获得广泛应用。80年代后期以来，以PWA1484、ReneN5为代表的第二代单晶高温合金叶片也在CFM56、F100、F110、PW4000等先进航空发动机上得到大量使用，目前美国的第二代单晶高温合金已成熟，并广泛应用在军民用航空发动机上。90年代后期以来，美国研制成功第三代单晶高温合金CMSX-10。之后，GE、P&W 以及NASA合作开发了第四代单晶高温合金EPM-102。法国和英国也分别研制单晶高温合金，并实现了工程应用。近年来，日本又相继成功的研制了承温能力更高的第四、第五、第六
代单晶合金TMS-138,TMS-162,TMS-238等。 我国的单晶高温合金是由中航工业航材院于20世纪80年代初率先开始研究的，并成功研制出我国第一代单晶高温合金DD4。90年代又成功研制了第二代单晶高温合金DD6，并广泛应用已多种型号的先进航空发动机上。此外，我国的第三代单晶高温合金主要有北京航空材料研究院先进高温结构材料重点实验室研制的DD9与DD10、中国科学院金属研究所高温合金研究部研制的DD32、DD33、中国科学院金属研究所研制的DD90；第四代单晶高温合金是由中国科学院金属研究所研制的DD22；第五代单晶高温合金为陕西炼石有色研制的含铼高温合金材料。这些材料的目前仅限于实验室研发。
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
新型镍基单晶高温合金初熔组织的形成 随着航空航天、航空发动机、燃气轮机等领域的发展，对于高温合金材料的需求越来越大。而镍基单晶高温合金因其优异的高温性能、抗氧化性能、抗蠕变性能、抗疲劳性能等特点，成为了高温结构材料的主要选材之一。而镍基单晶高温合金的初熔组织对于其性能有着至关重要的影响，因此探究其形成机理是十分必要的。 一、镍基单晶高温合金的组成和性能 镍基单晶高温合金的主要成分是镍、铬、钼、钨、铝、钛等元素。其中，镍是合金的主要成分，可以提高合金的延展性、韧性和耐蠕变性。铬和钼是抗氧化和抗腐蚀的元素，能够提高合金的高温强度和高温抗氧化性能。钨和钛是增强元素，可以提高合金的高温强度和抗疲劳性能。铝是抗氧化元素，能够形成氧化物保护膜，提高合金的高温抗氧化性能。 镍基单晶高温合金具有以下优异的性能： 1.高温强度：镍基单晶高温合金在高温下具有很高的强度和稳定性，可以承受高温下的大应力。 2.抗氧化性能：镍基单晶高温合金在高温下可以形成致密的氧化物保护膜，有效地防止氧化和腐蚀。 3.抗蠕变性能：镍基单晶高温合金在高温下可以有效地抵抗蠕变，保持其形状和尺寸的稳定性。 4.抗疲劳性能：镍基单晶高温合金可以有效地抵抗高温下的循环荷载，保持其强度和稳定性。
二、镍基单晶高温合金初熔组织的形成 镍基单晶高温合金的初熔组织是指在合金熔化过程中，最先形成的晶体组织结构。镍基单晶高温合金的初熔组织对于其高温性能和机械性能有着至关重要的影响。 镍基单晶高温合金的初熔组织形成与合金成分、熔炼工艺、熔炼设备等因素密切相关。通常情况下，镍基单晶高温合金的初熔组织是由立方晶和菱形晶组成的。其中，立方晶是由镍、铬、钼等元素组成，菱形晶是由铝、钛等元素组成。镍基单晶高温合金的初熔组织中，菱形晶是抗氧化和抗蠕变的主要组成部分，而立方晶则是提高高温强度和抗疲劳性能的主要组成部分。 三、影响镍基单晶高温合金初熔组织形成的因素 1.合金成分：镍基单晶高温合金的成分对初熔组织的形成具有很大的影响。通常情况下，合金中的铝、钛等元素会促进菱形晶的形成，而镍、铬、钼等元素则会促进立方晶的形成。 2.熔炼工艺：熔炼工艺对于初熔组织的形成也有很大的影响。熔炼温度、冷却速率、保温时间等因素都会影响初熔组织的形成。 3.熔炼设备：熔炼设备对于初熔组织的形成也有很大的影响。熔炼设备的设计和制造质量会影响合金的溶解度和均匀度，从而影响初熔组织的形成。 四、镍基单晶高温合金初熔组织的优化 为了提高镍基单晶高温合金的性能，需要优化其初熔组织。优化初熔组织的方法有以下几种：
镍基单晶高温合金共晶溶解动力学研究 随着现代工业技术的发展，高温合金已经成为了一种不可或缺的材料。在高温、高压的环境下，这种材料表现出了优异的耐热、耐腐蚀性能，广泛应用于航空、航天、能源、化工等领域。而其中，镍基单晶高温合金更是备受关注，因为它不仅具有高温下的优异性能，而且还具有良好的可锻性和可加工性。然而，为了更好地利用这种材料，我们需要深入了解它的结构、性能和动力学特性。本文将从共晶溶解动力学的角度出发，探讨镍基单晶高温合金的研究进展和未来发展方向。 一、镍基单晶高温合金的结构和性能 镍基单晶高温合金是一种由镍、铬、钴等元素组成的合金材料，其晶体结构为面心立方结构。这种材料具有高强度、高韧性、高耐热性和高耐腐蚀性等优异性能，可以在高温、高压的环境下保持稳定的力学性能和化学性能。它被广泛应用于航空发动机、燃气轮机、核电站、化工反应器等领域。 镍基单晶高温合金的优异性能主要源于其特殊的晶体结构和成分。它的晶体结构为面心立方结构，具有高度的晶体定向性和单晶性。这种特殊的晶体结构可以有效地防止晶界和晶粒的形成，从而提高材料的疲劳寿命和抗氧化性能。而其成分中的铬、钴等元素可以形成强大的氧化层，有效地防止材料的氧化和腐蚀。此外，镍基单晶高温合金还具有良好的可锻性和可加工性，可以通过热加工、冷加工等方式进行加工和成型。
二、镍基单晶高温合金的共晶溶解动力学研究进展 共晶溶解动力学是研究相变、溶解和固相反应等过程的基本学科。在镍基单晶高温合金中，共晶溶解动力学研究对于深入了解其结构、性能和性能演化机制具有重要意义。目前，国内外学者已经开展了大量的镍基单晶高温合金共晶溶解动力学研究，取得了一系列重要进展。 1. 共晶溶解过程的研究 共晶溶解过程是镍基单晶高温合金中重要的相变过程之一。在这个过程中，合金中的共晶组分会逐渐溶解到母相中，从而改变合金的组成和结构。许多学者通过热重分析、差热分析等方法研究了共晶溶解过程的热力学和动力学特性。研究发现，共晶溶解过程的速率受到温度、成分和氧化状态等因素的影响。此外，共晶溶解过程还会导致合金中的晶界和晶粒的形成，从而影响材料的力学性能和化学性能。 2. 共晶溶解动力学的模拟和预测 共晶溶解动力学的模拟和预测是镍基单晶高温合金研究中的重 要内容之一。目前，许多学者通过计算机模拟、分子动力学模拟等方法预测了共晶溶解过程的热力学和动力学特性。研究发现，共晶溶解过程的速率和机制与合金的成分、晶体结构和晶界能等因素密切相关。此外，共晶溶解过程的模拟和预测还可以为材料的设计和优化提供重要参考。 3. 共晶溶解动力学与材料性能的关系 共晶溶解动力学与镍基单晶高温合金的性能之间存在着密切的 关系。研究发现，共晶溶解过程会导致晶界和晶粒的形成，从而影响
三种镍基单晶高温合金的热腐蚀行为研究 （实用版） 目录 1.研究背景和目的 2.镍基单晶高温合金的种类和性能 3.热腐蚀行为的实验方法和过程 4.实验结果及分析 5.结论和展望 正文 1.研究背景和目的 镍基单晶高温合金是一种具有优异的高温抗氧化性、抗热腐蚀性、抗磨损性和高温强度的合金材料，广泛应用于航空航天、能源、化工等高温环境中。然而，在高温腐蚀环境下，镍基单晶高温合金的腐蚀行为会对其性能产生影响，因此研究镍基单晶高温合金的热腐蚀行为具有重要的实际意义。本研究旨在通过对三种镍基单晶高温合金的热腐蚀行为进行研究，为提高镍基单晶高温合金在高温腐蚀环境下的性能提供理论依据。 2.镍基单晶高温合金的种类和性能 本研究选取了三种常见的镍基单晶高温合金，分别为 K35、C276 和Incoloy825。这三种合金具有优异的性能，如高温抗氧化性、抗热腐蚀性、抗磨损性和高温强度等。 （1）K35 合金：K35 合金是一种以镍为主要元素，含铬、钼、钴等元素的镍基铸造高温合金。其具有较高的高温强度、抗氧化性和抗热腐蚀性，适用于高温高压环境中的阀门、泵等设备。 （2）C276 合金：C276 合金是一种以镍为主要元素，含铬、钼、钨、钴等元素的镍基高温合金。其具有优异的抗氧化性、抗热腐蚀性和高温强
度，广泛应用于航空航天、化工设备、原油、天然气生产设备及运输管道等腐蚀性较强的环境中。 （3）Incoloy825 合金：Incoloy825 合金是一种加入了 Cu、Mo、Ti 和 Cr 的铁镍基合金，具有良好的抗 Cl 腐蚀、抗氧化、抗点蚀及抗中性及还原性的酸和碱的能力。其广泛应用于航空航天、化工设备、原油、天然气生产设备及运输管道等腐蚀性较强的环境中。 3.热腐蚀行为的实验方法和过程 本实验采用电化学腐蚀试验方法，对三种镍基单晶高温合金在 800～900 的高温环境下的热腐蚀行为进行研究。具体实验过程如下：（1）将三种镍基单晶高温合金分别加工成相同的试样； （2）将试样放入 800～900 的高温环境中，保持一段时间； （3）取出试样，用腐蚀重量法测定试样的腐蚀重量； （4）对试样进行表面形貌观察和分析，了解腐蚀形态； （5）对试样进行 X 射线能量色散光谱 (EDS) 分析，了解腐蚀成分。 4.实验结果及分析 通过实验，得到了三种镍基单晶高温合金在 800～900 的高温环境下的热腐蚀行为。结果表明，三种合金在高温环境下均发生了明显的热腐蚀，且腐蚀形态和腐蚀成分有所不同。 （1）K35 合金：K35 合金在 800 的高温环境下，腐蚀速度较快，腐蚀形态为表面形成黄色锈蚀。EDS 分析结果显示，腐蚀成分主要为氧化镍(NiO) 和三氧化二镍 (Ni2O3)。 （2）C276 合金：C276 合金在 800 的高温环境下，腐蚀速度较慢，腐蚀形态为表面形成黑色锈蚀。EDS 分析结果显示，腐蚀成分主要为氧化铬 (Cr2O3) 和三氧化二铬 (Cr2O3)。 （3）Incoloy825 合金：Incoloy825 合金在 800 的高温环境下，腐
镍基单晶高温合金研究进展 独立为一个领域的镍基单晶高温合金（Ni-Based Single-Crystal Superalloys）研究起步于20世纪50年代，主要目标是在高温、高压、 高速等极端环境下保持优异的力学性能。如今，这一领域已经取得了显著 的进展，推动了航空航天、能源等关键工业的发展。 受制于晶体缺陷（如位错、晶界和第二相）对材料力学性能的影响， 研究者最初承认了单晶材料在抗蠕变强度、抗腐蚀和抗氧化性方面的潜力，这让镍基单晶高温合金的研究开始受到关注。随着应用需求和制造技术的 进步，研究者开始探索新的冶金设计原理，克服制约合金性能提升的关键 元素/组织的影响。 在材料选择方面，硬化元素（如铝、钛），刚性和解析强化元素（如钨、镍）以及一些其他元素（如镍、镍酮等）已经得到广泛采用。而在微 观组织设计上，利用多元素固溶强化，普遍采用的'γ/γ'二相组织设计 以及精细的嵌套共析组织设计已经取得了显著的力学性能提升。尤其是近 年来在第二相强化机制理解的深入，使得研究者在了解和控制合金中不同 的位错-第二相相互作用，以及在指导强化相布局优化方面取得了突破性 进展。 另一方面，制备工艺也是影响镍基单晶高温合金性能的重要因素。如今，过渡金属基单晶合金的制备工艺已经实现了工业化。其中辐射区熔技 术和定向凝固技术居于主导地位，使得合金中的第二相尺寸、形状和分布 得到了有效控制，同时也保证了合金的组织均匀。 此外，结构设计也在镍基单晶高温合金的性能提升方面起到了重要作用。近年来，材料科学家已经从多尺度、多视角对合金微观组织进行了深
入研究，提出了多个有效的结构优化方案。如对合金中强化相的尺寸、形状、分布以及取向等进行优化，引入双强化设计，实现第二相强化与固溶强化的协同增强等。 综上所述，随着理论研究、工艺技术和实际应用的深入，镍基单晶高温合金的设计和制备技术发展迅速，性能也得到了显著提升。不过，目前镍基单晶高温合金的研究仍面临严峻的挑战，如如何进一步提高合金的使用温度，如何改善合金的持久性以及如何实现复合强化设计等。这就需要我们在研究和开发中不断寻找新的思路和突破口，以推动镍基单晶高温合金的研究向深度和广度不断发展。
高温合金金属粉末的制备与性能研究绪论 随着现代工业技术的发展，高温合金材料作为一种高性能、高 可靠性、高耐用性的材料，在航空、航天、能源、汽车等领域有 着广泛的应用。现在制备高温合金材料的方式主要有单晶、多晶、抛光及热处理。其中，高温合金金属粉末的制备方式不仅能够获 得高质量的高温合金金属，而且可以很好地控制粒径和化学成分，使其具有更加优异的性能。本文主要介绍高温合金金属粉末的制 备方法和性能研究进展。 第一章高温合金金属粉末的制备方法 1. 气相凝聚法 气相凝聚法是通过高能的激光束或电弧产生的等离子体与高温 合金金属反应，最终得到的金属粉末。这种方法可控制金属粉末 的化学成分、粒径和内部纯度。然而，由于该方法所需的设备比 较昂贵，而且粉末成分的误差较大，所以产量相对较小，难以实 际应用于制造。 2. 机械合成法 机械合成法是通过高能的机械球磨碾磨的方式，将高温合金金 属加工成为粒径几十纳米的粉末。该方法成本较低，容易大量生产，而且可以获得更高的纯度和更好的化学稳定性，但需要一定
的机械能量和时间。此外，由于高能机械合成过程中热量极高，易导致材料氧化并形成杂质，因此制备过程需要进行惰性气体保护。 3. 化学气相沉积法（CVD法） CVD法是通过在高温气氛下将金属有机物分解成高温合金金属的方法，并沉积在基材上。该方法能够获得均匀的膜厚，但是需要高温并需要精确地控制化学气氛以防止产生不良的化学反应。 第二章高温合金金属粉末的性能研究 1. 硬度和耐热性 高温合金材料主要用于航空、航天、军工等领域，因此其硬度和耐热性是最基本的品质。硬度一般来自于合金中的抗拉强度。铸造和锻造后而热处理的高温合金材料往往能获得优异的硬度和耐热性。 2. 积碳和抗氧化性 高温合金材料在高温和高压气环境下，容易和空气中的氧气发生氧化反应，进而导致氧化层脱落，材料表面出现裂纹，从而降低材料的性能。因此高温合金材料的抗氧化性能是很关键的。而抗氧化能力强的高温合金金属粉末在表面积碳的表面处理中具有更好的效果。
新型镍基单晶高温合金在航空发动机中的应用前景 新型镍基单晶高温合金是近年来航空发动机材料领域的一项重要技术创新，具有很高的应用前景。目前，航空发动机对材料的要求越来越高，长期以来使用的铸造镍基合金在高温、高压和高速等极端环境下表现出诸多局限性，限制了发动机的发展空间。而镍基单晶高温合金作为新一代航空发动机材料，具有很高的热稳定性、抗蠕变能力和粉末粘结强度，能够满足航空发动机对高温和高加载性能的要求，具有广阔的应用前景。 首先，镍基单晶高温合金具有优越的高温性能。在航空发动机工作温度高达1000℃以上的极端条件下，普通铸造镍基合金 易发生晶粒细化与增大的现象，从而导致材料的疲劳性能下降。而镍基单晶高温合金通过单晶制备工艺，能够避免晶粒的形变与细化，提高材料的高温强度和抗疲劳性能。 其次，镍基单晶高温合金具有较好的抗蠕变能力。在航空发动机工作温度条件下，材料会因长时间的高温作用而发生蠕变现象，从而导致材料变形和失效。相比之下，镍基单晶高温合金具有较低的蠕变速率和较高的持久强度，能够延长材料的使用寿命，提高发动机的可靠性和安全性。 此外，镍基单晶高温合金具有良好的粉末粘结强度。在航空发动机中，材料的抗氧化性能是至关重要的。普通镍基合金在高温下容易与空气中的氧发生反应，导致表面氧化层的生成，降低发动机的工作效率。而镍基单晶高温合金通过合金元素的优化配比，能够形成致密、稳定且具有良好附着力的氧化层，提高材料的抗氧化性能。
综上所述，新型镍基单晶高温合金在航空发动机中具有广泛的应用前景。它们能够满足航空发动机对于高温、高压和高速等严苛条件下的材料性能要求，能够提高发动机的工作效率和可靠性，实现更高的推力输出和更长的使用寿命。然而，虽然镍基单晶高温合金具有很高的应用潜力，但目前仍面临一些挑战和困难。例如，合金的制备工艺和生产成本较高，合金的热膨胀系数与基体的匹配问题等。因此，进一步的研究和发展势在必行，以进一步提高镍基单晶高温合金的性能，并实现其在航空发动机中的更广泛应用。随着航空业的快速发展和飞机性能的不断提高，对航空发动机的要求也越来越高。镍基单晶高温合金作为新型的发动机材料，具有很广阔的应用前景。首先，镍基单晶高温合金具有极高的高温强度和抗疲劳性能。航空发动机在高温、高压和高速条件下工作，普通的材料很难保持较高的强度，并容易发生疲劳和断裂。而镍基单晶高温合金以其独特的晶体结构，具有更好的高温强度和抗疲劳性能，能够在极端恶劣的条件下保持结构的完整性，提高发动机的性能和可靠性。 其次，镍基单晶高温合金具有出色的抗蠕变能力。航空发动机在运行过程中，长时间的高温作用下会导致材料发生蠕变现象，使材料的形状发生变化，从而影响发动机的工作效率和寿命。镍基单晶高温合金的晶体结构能够有效地抵抗蠕变，减少材料的变形，从而延长发动机的使用寿命。 此外，镍基单晶高温合金还具有良好的耐腐蚀性能。航空发动机在使用过程中，会接触到很多腐蚀性的介质，如高温气流、
cmsx-4单晶高温合金在不同温度下的低周疲 劳行为 CMSX-4是一种单晶高温合金，具有优异的高温力学性能。在高温下，它具有很高的强度和良好的抗氧化性能，能够承受高温高应力的 作用。然而，在长时间的高温作用下，CMSX-4会出现低周疲劳现象， 降低了其使用寿命。因此，在工程实践中，了解CMSX-4的低周疲劳行 为十分重要。 低周疲劳是指在应力循环次数较少的情况下，由于材料内部微观 组织的破坏而造成的失效。通常，低周疲劳的应力循环次数小于10^4次。这种失效机制通常发生在高温下，包括高温松弛、晶间裂纹扩展、位错滑移、局部塑性变形等。 CMSX-4在高温下的低周疲劳行为主要受以下因素的影响： 1.温度：温度是影响低周疲劳行为的重要因素之一。通常情况下，随着温度的升高，材料的强度和韧性都会降低，低周疲劳寿命也会减少。当温度接近材料的熔点时，材料的疲劳寿命会急剧降低。
2.应力幅值：应力幅度是另一个影响低周疲劳行为的重要因素。随着应力幅度的增加，材料的疲劳寿命会急剧下降。当应力幅度超过临界值时，材料会发生塑性变形和裂纹扩展，导致失效。 3.微观组织：微观组织是影响低周疲劳行为的重要因素之一。CMSX-4采用高温下的单晶铸造工艺制造，具有优异的晶体结构和均匀的结构性能。这种组织结构有效地防止了裂纹的形成和扩展。 4.环境：环境条件也会对CMSX-4的低周疲劳行为产生影响。在氧化性环境下，材料的抗氧化性能会受到影响，导致材料的疲劳寿命减少。 综上所述，了解CMSX-4的低周疲劳行为对于保证材料在高温高应力环境下的长期可靠性具有重要意义。在实际应用中，可以通过优化温度、应力幅度和微观组织等因素来提高CMSX-4的低周疲劳寿命，保证其可靠性和安全性。
材料科学中的高温合金技术 高温合金，是指在高温下具有良好性能的合金材料。在材料科 学领域中，高温合金技术一直是研究的重点之一。高温合金广泛 应用于航空航天、能源、化工、军工等领域，具有重要的战略意义。 高温合金的发展历程 20世纪40年代初期，著名的材料科学家查尔斯·约佛（Charles Christian）在英国普雷斯顿的中央工艺研究所从事高温合金的研究工作，开创了高温合金的发展历程。1949年，美国康奈尔大学的 哈里·范·阿尔卡德（Harry van Arkel）提出了无源气相物质合金技术，开创了高温合金无源化技术的时代。 20世纪60年代以来，高温合金的制备技术有了长足的发展。 一些新型的高温合金，如镍基单晶高温合金、双晶高温合金、块 体过渡族金属基高温材料、镍丝膜制备技术等相继问世。这些高 温合金具有高温强度、抗氧化、耐热腐蚀、高温疲劳等优异性能。 高温合金的应用领域
航空航天领域是高温合金的重要应用领域之一。航空发动机和 气动部件、航天器推进系统等均使用高温合金材料。高温合金在 航空航天领域的应用要求具有高温强度、稳定的高温性能和疲劳 寿命等。 能源领域也是高温合金的重要应用领域之一。高温合金在火电、核电、化学工业等领域中被广泛应用。其中，在火电领域中，高 温合金的应用是提高燃烧温度、增加透风量、耐氧化腐蚀等方面 的重要手段。 此外，化工领域、军工领域等也是高温合金的应用领域。 高温合金制备技术 高温合金的制备技术是高温合金研究和应用中的关键环节。 无源化技术是高温合金制备中的一项重要技术。它主要通过加 入稳定元素或进行表面质量处理，在高温（650℃至1000℃）下使合金表面形成稳定而致密的氧化物膜，从而在高温状态下获得较
ICP-MS法测定镍基单晶高温合金DD416中的镓、锡、锑、 铅、铋 陈靖;张艳;高颂 【摘要】建立电感耦合等离子体质谱法测定镍基单晶高温合金DD416中镓、锡、锑、铅、铋元素的含量.以盐酸-硝酸(体积比3:1)混合酸为消解剂,利用微波消解仪 消解样品,以Rh(10μg/L)为内标元素.镓的线性范围为0～50μg/g,锡、锑、铅的线性范围为0～20μg/g,铋的线性范围为0～2μg/g,线性相关系数均大于0.999,检出限分别为0.01,0.2,0.1,0.07,0.006μg/g.用该方法对标准物质进行测定,测定结果与 标准值之间的相对误差在7.7％～22.7％范围内.样品加标回收率为98.2％～108.0％,测定结果的相对标准偏差为0.1％～1.5％(n=5).该方法可以快速、准确地对镍基单晶高温合金DD416中镓、锡、锑、铅、铋元素进行同时测定. 【期刊名称】《化学分析计量》 【年(卷),期】2019(028)004 【总页数】4页(P87-90) 【关键词】电感耦合等离子体质谱法;微波消解;镓;锡;锑;铅;铋 【作者】陈靖;张艳;高颂 【作者单位】中国航发北京航空材料研究院,北京 100095;中国航发北京航空材料 研究院,北京 100095;中国航发北京航空材料研究院,北京 100095 【正文语种】中文 【中图分类】O657.3
随着我国军事科技的日益进步，航空发动机用高温合金材料发展迅速。镍基单晶高温合金具有优异的抗恶劣环境性能和铸造性能，满足了发动机的研制需求。航空发动机用高温合金需在复杂恶劣的环境下工作，对某些元素含量均有严格限制。如单晶高温合金DD416材料牌号标准中镓、铅、铋、锡、锑元素就有严格的控制范围，因此需要准确测定这些痕量元素的含量。 目前一般采用原子吸收光谱法(AAS)［1-2］测定铅、铋，样品前处理相对复杂， 且检出限偏高；用原子荧光光谱法(AFS)［3］测定铋同样受到样品前处理复杂的 困扰；电感耦合等离子体发射光谱法(ICP-OES)测定锡、锑，基体干扰较大，检出限偏高［4-6］；对于镓元素的测定，上述方法均存在基体干扰较严重，检出限偏高的问题。 电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)是近年来发展较快的分析方法，具有检出限低、线性范围宽、快速、多元素同时分析等特点，已广泛用于生物、环境、金属等领域材料中痕量及超痕量元素的检测［7-14］。在样品前处理方面，微波消解法相比 于传统溶样方法具有试剂用量少，样品受到的污染小等优点，可以有效提高痕量元素检测的准确性［15-20］。目前国内虽然有ICP-MS法测定钢铁、普通高温合金中痕量元素的报道［21］，但在成分、工艺较复杂的镍基单晶高温合金方面缺少 相关检测方法的研究。笔者用微波消解样品，建立了ICP-MS法测定单晶高温合 金DD416中镓、锡、锑、铅、铋含量的方法，对仪器工作条件进行了优化，方法操作简便、快速，结果准确。 1 实验部分 1.1 主要仪器与试剂 电感耦合等离子体质谱仪：Xseries Ⅱ型，配有在线内标的耐氢氟酸进样系统，美国热电公司；