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

一种新型三代含锇镍基单晶高温合金的析出相演化规律
于静毅;张利军;周科朝;黄再旺
【期刊名称】《粉末冶金材料科学与工程》
【年(卷),期】2024(29)2
【摘要】铼和钌在镍基单晶高温合金中的应用常受限于其含量和相稳定性,寻找能同时代替铼和钌的新元素具有重要意义。

本研究设计了一种具有高含量锇的新型镍基单晶高温合金,采用传统Bridgman技术制备铸态单晶合金,并对合金进行固溶时效处理,通过光学显微镜和扫描电子显微镜研究合金的析出相演化规律。

结果表明:铸态合金中锇和钨偏析于枝晶干区域,而铝、钽、钛则偏析于枝晶间区域,即使经过长时间的固溶热处理,锇和钨仍有轻微的偏析。

由于枝晶区域的元素偏析,一次时效处理后枝晶间的γ′相比枝晶干的γ′相更易转变为立方形,二次时效处理使析出相的尺寸和体积分数略微增大,形状从立方形向圆形转变。

【总页数】9页(P109-117)
【作者】于静毅;张利军;周科朝;黄再旺
【作者单位】中南大学粉末冶金国家重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】TG131
【相关文献】
1.一种含4％ Ru新型镍基单晶高温合金蠕变性能的研究
2.直流电流对一种镍基单晶高温合金γ′相析出的影响
3.一种含
4.2%Re单晶镍基合金的蠕变行为与组织演
化规律4.一种含Re镍基单晶高温合金的长时组织演化规律研究5.固溶热处理对一种第三代镍基单晶高温合金组织及高温持久性能的影响
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

镍基单晶合金高温蠕变行为的研究新进展镍基单晶合金是目前航空发动机涡轮叶片的主要制造材料，其蠕变性能是关系到发动机使用安全和服役寿命的重要因素。

本文从成分组成、蠕变机制、本构模型等方面论述了近年来镍基单晶合金研究的新进展，特别着重于阐明镍基单晶合金蠕变行为与微结构演化之间的联系，论述了晶体塑性有限元方法在单晶叶片力学行为模拟中的应用，为我国发动机叶片设计和强度分析提供重要的理论参考和技术指导。

标签：镍基单晶合金蠕变微结构晶体塑性一、引言航空发动机涡轮叶片长期处于高温下，受到复杂应力和燃气冲击腐蚀等综合作用，工作条件十分恶劣。

涡轮叶片等热端部件的可靠性是影响发动机性能和寿命的关键因素和技术难点。

镍基单晶合金因具有较高的高温强度、优异的蠕变、疲劳抗力及良好的抗氧化性和抗热腐蚀性，被广泛用于制造航空发动机的涡轮叶片等核心部件。

镍基单晶合金通过定向凝固技术消除了晶界，使其高温抗蠕变、疲劳性能大大增强，成为最受关注、应用最广的高温合金。

随着发动机服役温度的不断提高，单晶材料的蠕变行为和变形机制也随温度升高表现出不同的特征。

因此，建立合适的本构模型对镍基单晶合金的蠕变行为进行预测，对于我国航空发动机叶片设计、强度分析和寿命预测具有重要的意义。

二、镍基单晶合金的发展趋势及现状镍基单晶合金由于其优异的抗蠕变、疲劳和耐腐蚀性能，在过去的几十年里得到了世界各国的重视，并形成了合金系列应用到航空发动机的热端部件中，如美国的CMSX-2、CMSX-4、CMSX-10系列，英国的RR2000系列，法国的MC2、MC-NG系列，日本的TMS-75、TMS-138、TMS-162系列等。

我国镍基单晶高温合金研制从20世纪80年代初开始，现已发展到以DD22为代表的第四代合金材料，但是，合金性能和发达国家相比尚存在一定的差距，距离大范围实际应用还有较长的路要走。

镍基单晶合金优异的高温性能得益于Re、Ru、W等难熔金属的添加。

Re 的添加有助于改善高温合金的显微组织和热稳定性，降低不稳定相及单晶缺陷等的影响，从而显著增强单晶合金的高温抗蠕变性能。

ni基高温合金γ'相化学腐摘要：1.镍基高温合金概述2.γ"相的化学腐蚀特点3.镍基高温合金γ"相腐蚀机理4.抗腐蚀策略与应用正文：镍基高温合金是一种广泛应用于航空航天、能源、化工等领域的材料，因其具有优异的高温强度、抗氧化性、耐腐蚀性等性能而备受关注。

然而，镍基高温合金在某些环境下会发生腐蚀，其中γ"相腐蚀是一种较为常见的现象。

本文将对镍基高温合金γ"相的腐蚀特点及机理进行分析，并提出相应的抗腐蚀策略。

一、镍基高温合金概述镍基高温合金是指以镍为基体，加入一定比例的铬、钴、钨、钼等元素组成的一种合金。

在高温环境下，镍基高温合金具有较高的抗氧化性、热疲劳性、蠕变性等性能。

其中，γ"相是镍基高温合金中的一种重要相，对合金的力学性能和腐蚀性能具有显著影响。

二、γ"相的化学腐蚀特点1.腐蚀形态：γ"相腐蚀主要表现为局部腐蚀，如点腐蚀、缝隙腐蚀等。

这些腐蚀形态往往导致合金表面出现坑洼、脱落等损伤。

2.腐蚀速率：γ"相腐蚀速率较快，尤其在高温、高湿、含氧环境下，合金的腐蚀速率更为明显。

3.腐蚀产物：γ"相腐蚀产物主要为氧化物、硫化物等，这些腐蚀产物会进一步加剧合金的腐蚀。

三、镍基高温合金γ"相腐蚀机理1.电化学腐蚀：镍基高温合金在含有氯离子、硫离子等活性离子环境下，易发生电化学腐蚀。

活性离子在合金表面与合金元素发生反应，产生局部腐蚀。

2.氧化膜破裂：镍基高温合金在高温环境下，表面会形成一层氧化膜保护层。

然而，在某些条件下，氧化膜会发生破裂，导致合金表面暴露，进而发生腐蚀。

3.合金元素扩散：在腐蚀过程中，合金中的铬、钨等元素会向腐蚀前沿扩散，使得腐蚀产物不断生成并堆积，从而加速腐蚀进程。

四、抗腐蚀策略与应用1.合金成分优化：通过调整合金成分，提高镍基高温合金的抗氧化性、耐腐蚀性。

例如，增加铬、钨等元素的含量，以提高合金的耐腐蚀性能。

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。

镍基单晶高温合金γ-γ'相界中氢化空位的形成机理及其对相界性能影响的第一性原理研究镍基单晶高温合金在高温、高应力环境下的使用具有重要意义。

然而，氢脆是限制其应用的一个重要因素。

氢在材料中存在的一种方式是以空位的形式存在，这对相界的稳定性和性能有很大影响。

本文通过第一性原理计算，研究了镍基单晶高温合金中γ/γ'相界中氢化空位的形成机理及其对相界性能的影响。

首先，我们采用密度泛函理论(DFT)计算γ/γ'相界中不同形态的氢化空位的能量。

计算结果表明，在γ相中，氢可与周围的镍原子形成三个键，同时损失一个电子，因此引入的氢离子带有负电荷，并且通过键弹性与镍原子相连。

在γ'相中，由于镍与铥原子之间的不同配位，氢离子损失两个电子，并与周围的镍和铥原子形成四个键。

根据计算结果，我们发现在γ相和γ'相中形成氢化空位的能量是有差别的，这是由于配位环境的不同导致的。

然后，我们研究了氢化空位对相界性能的影响。

通过计算发现，氢化空位的存在使得相界的结构和能量发生了改变。

在γ相中，氢化空位导致了界面的畸变，使得界面的能量增加。

在γ'相中，氢化空位会导致局部应力的集中，破坏了界面的稳定性。

此外，我们还发现氢化空位与界面的相互作用会影响界面的扩散行为。

通过计算不同形态的氢化空位对γ和γ'相界的能量校正，我们发现氢化空位有可能成为界面扩散的驱动力。

最后，我们进一步研究了不同温度和应力条件下氢化空位在相界中的动力学行为。

通过分子动力学模拟，我们发现在高温和高应力环境下，氢化空位更易形成和聚集，进一步增加了相界的脆性。

这些结果说明了氢化空位对相界稳定性和性能的重要影响。

综上所述，本文通过第一性原理计算研究了镍基单晶高温合金γ/γ'相界中氢化空位的形成机理以及对相界性能的影响。

研究发现，氢化空位的形成能量和界面结构都受到配位环境的影响。

氢化空位的存在使得相界的结构和能量发生改变，并且对界面的扩散行为有一定影响。

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。

镍基单晶高温合金力学性能各向异性的研究进展窦学铮;蒋立武;宋尽霞;赵云松【期刊名称】《材料导报》【年(卷),期】2022(36)24【摘要】镍基单晶高温合金凭借优良的高温力学性能和组织稳定性而成为目前制造先进航空发动机和燃气轮机叶片的主要材料,其力学性能各向异性对涡轮叶片的服役性能和安全可靠性至关重要,受到叶片设计师和制造专家的高度重视。

为了满足更严苛的使用要求,国内外都在不断研发新型的镍基单晶高温合金来提升叶片承温能力,但是对新型合金力学性能各向异性的研究还不是很全面,对新添加元素的作用机理也有待进一步的研究。

近些年来,国内外相关研究表明,镍基单晶高温合金力学性能各向异性与温度、应力等因素有关,不同的单晶合金表现出不同的规律。

镍基单晶高温合金的拉伸性能具有明显的各向异性,随着温度的升高,其原子扩散能力增强,开动滑移系的数量增多,拉伸性能的各向异性减弱。

随着合金成分中难熔元素含量的增加,滑移系的位错交截概率或变形协调性发生变化,合金表现出不同的拉伸性能各向异性。

在中温高应力条件下,合金蠕变性能存在显著的各向异性。

随着应力的升高,[001]取向的蠕变性能显著降低,[111]取向变化较小,这与应力变化对滑移系数量的影响有关。

随着难熔元素含量的增加,合金不同取向滑移系的开动和层错的形成更容易,从而影响蠕变性能的各向异性。

在高温低应力条件下,[111]取向蠕变性能较好,[001]和[011]取向较差,但蠕变各向异性减弱。

低周疲劳性能也具有明显的各向异性,[001]取向的疲劳寿命最长,[011]取向次之,[111]取向最短;而高周疲劳性能按[111]、[001]、[011]取向的顺序依次降低,主要与弹性模量、滑移系开动的数量和Schmid因子等因素有关。

本文详细介绍了镍基单晶高温合金拉伸、蠕变、疲劳等力学性能各向异性的研究进展,揭示了不同晶体取向合金的失效机理,分析了新型镍基单晶高温合金力学性能各向异性相关研究存在的问题并展望其前景,以期为未来镍基单晶高温合金在航空发动机涡轮叶片上的应用提供有益参考。

一种确定镍基单晶高温合金残余偏析的方法镍基单晶高温合金是一种重要的高温结构材料，广泛应用于航空航天、能源等领域。

然而，由于材料的制备和加工过程中的各种因素，常常会导致合金中出现残余偏析现象，影响材料的力学性能和耐腐蚀性能。

因此，确定镍基单晶高温合金中的残余偏析情况对于材料性能的评估和优化具有重要意义。

确定镍基单晶高温合金残余偏析的方法有很多种，下面我们将介绍一种常用的方法。

我们需要收集镍基单晶高温合金的样品，并进行预处理。

预处理包括将样品进行切割、打磨和抛光，以便于后续的分析和观察。

接下来，我们可以使用扫描电子显微镜（SEM）对样品进行观察和分析。

SEM可以提供高分辨率的表面形貌和成分分布信息。

通过SEM的能谱分析功能，我们可以获得镍基单晶高温合金中各个元素的含量和分布情况。

通过比较不同区域的元素含量，我们可以初步判断是否存在残余偏析现象。

除了SEM，我们还可以使用透射电子显微镜（TEM）进行更加详细的观察和分析。

TEM可以提供更高分辨率的图像，能够观察到更细微的微观结构和成分变化。

通过TEM的能谱分析功能，我们可以获取更加准确的元素含量和分布信息，对残余偏析现象进行更加详细的表征。

X射线衍射（XRD）也是一种常用的分析方法。

XRD可以提供样品的晶体结构信息和晶格参数。

通过对镍基单晶高温合金进行XRD分析，我们可以确定样品的晶体结构和晶格畸变情况，进一步了解残余偏析的形成机制。

除了上述的表面和微观结构的观察分析方法，我们还可以使用化学分析方法对镍基单晶高温合金进行成分分析。

常用的化学分析方法包括电感耦合等离子体发射光谱（ICP-OES）和电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）。

通过化学分析，我们可以获得镍基单晶高温合金中各个元素的含量信息，从而确定残余偏析的程度和成分分布情况。

确定镍基单晶高温合金残余偏析的方法包括SEM、TEM、XRD和化学分析等多种手段。

通过这些方法的综合运用，可以全面了解镍基单晶高温合金的残余偏析情况，为材料性能的评估和优化提供科学依据。

镍基单晶高温合金小角度晶界的形成机制、影响因素与控制措施霍苗;刘林;黄太文;杨文超;李亚峰;王晓娟;张军;傅恒志【期刊名称】《材料导报》【年(卷),期】2018(32)19【摘要】镍基单晶高温合金被广泛用于制备先进航空发动机及工业燃气轮机的关键热端部件,随着铸件结构的复杂化和大型化以及合金中难熔元素的增多,凝固缺陷的形成倾向增大。

其中,小角度晶界是定向凝固制备单晶高温合金铸件过程中经常出现的一类缺陷,它会破坏单晶的完整性,一旦超过容限就会对铸件的力学性能造成恶劣影响,随着单晶高温合金服役温度的不断提高,小角度晶界对性能的损害会更为严重。

因此,小角度晶界日益成为镍基单晶高温合金发展和应用中需要解决的重要课题,受到国内外研究者的广泛关注。

单晶中的小角度晶界与传统意义上的小角度晶界有所不同,是指相邻枝晶间的取向偏离。

研究者们在不同晶界偏离角及不同温度条件下就小角度晶界对合金持久性能、蠕变性能及疲劳性能的影响进行了研究,结果发现:当偏离角较小时,小角度晶界对合金性能的影响并不明显,但是随着偏离角的增大及温度的升高,合金的性能均会降低。

为了探寻有效的预防和控制措施,研究者们就小角度晶界的形成机制及影响因素进行了研究。

关于小角度晶界的形成机制,被大家普遍认同的观点是:枝晶在分枝生长过程中发生了塑性变形,从而导致了枝晶的取向偏离,当枝晶再次汇聚时就会产生小角度晶界。

但是,关于枝晶变形的原因则没有一致看法。

另外,关于小角度晶界影响因素的研究还不是很系统,主要集中在合金成分及晶界强化元素、凝固参数及取向、铸件尺寸等方面。

镍基单晶高温合金中的小角度晶界归根结底是由枝晶的取向偏离导致的,而取向偏离的影响因素复杂,因此小角度晶界的出现很难完全避免。

目前,主要通过取向控制以减少小角度晶界的产生,并通过晶界强化以提高合金对小角度晶界的容限。

本文阐明了单晶高温合金中的小角度晶界的概念,总结了小角度晶界对合金力学性能的影响,综述了小角度晶界形成机制的研究进展,分析了合金元素、微量元素、凝固条件和铸件结构等因素对小角度晶界形成的影响,在此基础上,提出了减少小角度晶界的措施和强化晶界的途径,最后就未来的研究方向进行了展望。

高温合金材料组织与性能研究高温合金材料是一种应用广泛的特殊材料，它具有优异的高温耐蚀、高强度和高塑性等特性，在航空、能源等领域得到了广泛的应用。

本文将重点探讨高温合金材料的组织与性能研究。

一、高温合金材料的组织高温合金材料的组织是影响其性能的重要因素，其组织包括尺寸、分布、形态和相态等方面。

高温合金材料的组织通常是由基体和第二相组成的，基体中的元素主要是镍、铁和钴，而第二相则包括γ’相、γ’’相、MC、M23C6等。

高温合金材料的γ’相是其组织中的重要组成部分，它具有高强度、高弹性模量和抗氧化性能等特点。

γ’相是一种立方晶系，其晶格常数为0.3659nm，化学成分为Ni3Al，它与基体之间的晶格失配度很小。

γ’’相主要是Ni3Nb，它是一种正交晶系，晶格常数为0.33×0.44×0.67nm，γ’’相主要分布在γ’相的颗粒边缘，其粒径约为0.5-10nm。

除了γ’相和γ’’相外，MC和M23C6相也是高温合金材料中常见的第二相成分。

MC相主要是M23C6相和MC carbide相，其主要化学成分为M3C，其中M为至少一种过渡金属元素，如Ti、Mo、Cr等。

M23C6相主要是由M和C元素组成，晶体结构为k3Cr8，其中k为C原子，晶格常数为0.699nm。

MC和M23C6相通常分布在晶界和颗粒内部。

二、高温合金材料的性能高温合金材料的性能主要受其组织、化学成分和热处理等因素的影响。

其中，高温氧化和高温蠕变是其性能的两个重要指标。

高温氧化指的是高温合金材料在高温和氧气环境下，表面的氧化程度和性质。

高温氧化对高温合金材料的性能有着重要的影响，其主要表现为材料表面会产生一层致密的氧化层，并且随着温度的升高，氧化层的厚度会增加，导致材料的质量减轻、尺寸增大、形状变化等问题。

高温蠕变是指高温合金材料在高温和应力的作用下，在一定时间内发生的变形现象。

高温蠕变是高温合金材料失效的主因之一，其主要原因是长时间的高温和应力作用下，导致材料内部的晶体结构变形，出现晶粒长条化、晶粒滑移和裂纹扩展等问题。

镍基高温合金在航空航天、能源等领域有着广泛的应用，其中γ'相是其主要的强化相。

而γ'相在高温条件下的形貌转变动力学对合金的性能具有重要影响。

本文将针对镍基高温合金γ'相形貌转变动力学进行探讨，以期加深对该合金在高温应用中的性能理解。

1. 镍基高温合金概述镍基高温合金是一类具有优良高温强度、抗氧化和耐腐蚀性能的合金材料，广泛应用于航空航天发动机、燃气轮机、核工程和化工等领域。

镍基高温合金的优异性能得益于其中的弥散强化相γ'相，该相是对合金高温强化的关键。

2. γ'相结构特征γ'相是一种具有面心立方结构的弥散强化相，其化学组成主要为镍、铝和钛。

γ'相以其在高温下的良好热稳定性和强化效果而备受研究者关注。

然而，γ'相结构的稳定性和形貌转变动力学直接影响了合金的高温强化性能。

3. γ'相形貌转变动力学γ'相在高温条件下存在着形貌转变的现象，主要包括球状颗粒的长大、间隙溶质原子的扩散和相变等。

这些形貌转变过程对合金的高温力学性能和抗氧化性能具有重要影响。

4. 形貌转变的动力学机制形貌转变的动力学机制主要包括扩散控制和界面动力学控制两种。

扩散控制是指溶质原子在晶体内扩散，导致颗粒长大和形貌转变。

而界面动力学控制则是指相界面的迁移和相变过程对形貌转变的影响。

5. 形貌转变对合金性能的影响形貌转变过程会导致γ'相颗粒的尺寸和分布发生变化，进而影响合金的高温强度、抗氧化性能和热疲劳性能。

了解和控制形貌转变动力学对提高镍基高温合金的性能具有重要意义。

镍基高温合金γ'相形貌转变动力学是影响合金高温性能的重要因素，对其进行深入研究，可以为合金的设计和优化提供重要的理论指导和实际应用价值。

希望本文能够对此有所启发，促进相关领域的研究和发展。

6. 形貌转变动力学的研究方法为了深入理解镍基高温合金γ'相的形貌转变动力学，研究者采用了多种实验和理论模拟方法。

第35卷1999　第1期年1月金属学报ACTA M ETALL U R GICA SIN ICA　Vol.35No.1January1999镍基单晶高温合金γ′的定向粗化机理3彭志方　任遥遥　樊宝珍(武汉水利电力大学材料工程系,武汉430072)燕　平　赵京晨　王延庆　孙家华(钢铁研究总院,北京100081)摘　要　研究了外应力作用下[001]取向镍基单晶高温合金γ/γ′共格弹性应变各向异性及γ′定向粗化驱动力问题;针对γ′析出相由立方形演变成杆状、片状和块状筏形组织的实验现象,描述了γ′发生P型、N型和P-N型定向粗化时原子的扩散途径以及共格相界面的迁移行为;分析了γ′沿不同取向定向粗化时对总相界面能的贡献并讨论了γ′的纵向合并行为.关键词　镍基单晶高温合金,γ′定向粗化,错配度,原子扩散,共格界面中图法分类号　TG146.1 文献标识码　A 文章编号　0412-1961(1999)01-0009-14A MECHANISM FOR DIRECTIONAL COARSENINGOFγ′PRECIPITATES IN SING LE CR YSTALNICKE L-BASE SUPERALLOYSPEN G Zhif ang,R EN Y aoyao,FA N B aoz henDepartment of Materials Engineering,Wuhan University of Hydraulic and Electric Engineering,Wuhan430072YA N Pi ng,ZHA O Ji ngchen,W A N G Y anqi ng,S U N JiahuaCentral Iron and Steel Research Institute,Beijing100081Correspondent:PEN G Zhif ang,prof essor,Tel:(027)87884555-2252,Fax:(027)87884496, E-m ail:zf peng@public.w Manuscript received1998-04-20,in revised form1998-07-07ABSTRACT　The anisotropy of elastic strain atγ′/γcoherent interfaces and the driving force forγ′di2 rectional coarsening in[001]-oriented single crystal nickel—base superalloys under externally applied stresses are studied.Based on the phenomenon of morphological evolution ofγ′from original cuboids to rafted rods,platelets and blocks,the way along which atomic diffusion occurs and the trans port behavior of the coherent interfaces during P-type,N-type and P-N-type coarsening are described.The contribu2 tion ofγ′directional coarsening in different senses to the change of total interfacial energy and the longitu2 dinal coalescence ofγ′are analyzed.KE Y WOR DS　single crystal Ni-base superalloy,γ′directional coarsening,mismatch,atomic diffusion, coherent interface 镍基单晶高温合金在高温变形期间析出相γ′会发生定向粗化形成筏形组织.T ien等人[1]首先分别通过拉伸和压缩蠕变实验发现,[001]取向单晶高温合金Udimet-700在拉伸和压缩蠕变期间γ′分别沿垂直于和平行于外应力轴方向粗化.此后,不同研究者在其它实验及工业镍基单晶高温合金中观察到这一现象.Fredh olm等人[2]根据单晶合金共格错配度的符号、外应力轴方向以及γ′粗化取向之间的关系将γ′定向粗化取向分为两类:P型3湖北省自然科学基金95J63资助项目收到初稿日期:1998-04-20,收到修改稿日期:1998-07-07作者简介:彭志方,男,1954年生,教授,硕士取向粗化———γ′沿平行于外应力轴方向粗化和N型取向粗化———γ′沿垂直于外应力轴方向粗化.S ocrate等人[3]根据这一分类,对不同研究者用不同镍基单晶合金的定向粗化实验结果进行了归类,并分析了γ′形筏的弹性驱动力问题;P ollock等人[4]描述了CMSX-3单晶合金中γ′定向粗化行为并建立了定向粗化扩散模型;郭喜平等人[5]针对NAS A IR-100中γ′的定向粗化现象,提出了筏形组织的形成及转动机理;彭志方等人分别针对CMSX-4[6-8]和CM2 SX-2[9]合金中γ′及γ形态的变化及其分别对蠕变和持久变形与断裂的影响进行了研究;近期,Nabarro对γ′形筏问题进行了综述[10].上述工作对认识γ′的定向粗化现象及其对合金高温力学性能的影响产生积极作用.然而,从已发表的文献看,对γ′相的P型和N型定向粗化的机理和原子扩散途径,对实验中出现的γ′相的P-N共存型粗化和纵向合并,以及各类定向粗化对共格界面能影响的报道还比较缺乏,而这些内容对解释γ′定向粗化现象的本质是不可缺少的.据此,本文开展了有关这方面的工作.1　共格弹性应变各向异性与相界面迁移镍基单晶高温合金γ′发生P型和N型定向粗化的特征分别是,立方形γ′沿平行于外力轴方向粗化和沿垂直于外力轴方向粗化.实验已证明,共格正、负错配型合金在高温拉伸载荷下,γ′分别沿平行于和垂直于外力轴方向粗化,而在高温压缩载荷下,γ′分别沿垂直于和平行于外力轴方向粗化[2-4].显然,共格错配度的符号以及外力轴的方向决定了γ′定向粗化的取向.单晶高温合金经固溶及时效处理后,立方形析出相γ′呈周期性地沿〈001〉方向规则排列并与基体相γ维持共格联系.此时,空间相互垂直的三组γ/γ′共格界面具有弹性各向同性,即每组γ/γ′界面的错配度和相应的弹性应变能相同.在足够高的温度及一定取向的外应力作用下,在位向不同的γ/γ′界面上共格弹性应变能的变化是不同的,在某一或某两组γ/γ′界面上共格应变能降低的同时,在另外两组或一组γ/γ′界面上共格应变能升高,所增加的共格应变能将成为γ/γ′界面迁移即γ′定向粗化的驱动力.换言之,哪一组γ/γ′界面的共格应变能增加,与这一组界面接壤的γ′将发生定向粗化,其原理如下.设a100γ,a010γ和a001γ分别为面心立方基体相γ的晶胞沿[100],[010]和[001]方向的点阵常数;a100γ′,a010γ′和a001γ′分别为有序结构析出相γ′的晶胞沿[100],[010]和[001]方向的点阵常数;Δδ100,Δδ010和Δδ001分别为沿[100],[010]和[001]方向γ/γ′界面共格错配度的变化;ΔE100,ΔE010和Δδ001分别为沿[100],[010]和[001]方向γ/γ′共格弹性应变能的变化;|δijk str|为外应力作用后处于新的共格弹性应变状态的共格错配度,|δijk unstr|为无外应力作用时原始共格弹性应变状态的共格错配度,δijk=|δijk str|-|δijk unstr|,如果δijk>0,说明外应力作用后共格错配程度增加,反之减小.由于ΔE ijk∝Δδijk,即共格错配度的增加将导致共格应变能的增加,这部分增加的能量将成为γ′定向粗化的扩散驱动力.业已证明,当基体相γ已发生蠕变变形时,有序结构析出相γ′仅处于弹性变形状态[3].由此可知,在相同外应力作用并维持共格弹性应变的条件下,当γ相点阵已发生相当程度的弹性变形时,即不同取向的点阵常数有所改变时,γ′相的点阵常数仍基本不变或变化很小可忽略不计,因此可设共格界面上:a100γ′=a010γ′=a001γ′.根据共格错配度的标准表达式:δ=(aγ′-aγ)/aγ,对于共格负错配型单晶,aγ′<aγ,则δ<0,在[001]方向拉应力作用下,a100γ和a010γ减小,而a001γ相应增大,在a ijkγ′相对不变的情况下,Δα100=Δδ010<0,即ΔE100和ΔE010减小,而δα001>0即ΔE001增大(含[001]的γ/γ′界面共格应变能增大),由于法线分别平行于[100]和[010]的两组γ/γ′界面均含[001],为降低这两组γ/γ′界面的共格应变能,与这两组γ/γ′界面接壤的γ′将通过原子扩散分别沿[100]和[010]方向延伸(2.1节中将讨论相应的扩散模型),即γ′发生垂直于拉应力轴[001]的二维定向粗化(N型粗化),最终形成垂直于应力轴的片状筏形组织;在[001]方向压应力作用下,a001γ减小,而a100γ和a010γ相应增大。

高性能镍基粉末高温合金中γ'相形态致锯齿晶界形成机理研究杨万鹏;胡本芙;刘国权;吴凯【摘要】采用光学显微镜、场发射扫描电子显微镜和透射电子显微镜,系统研究了低错配度的第三代高性能粉末高温合金(FGH98I)在热处理条件下由合金晶界上γ'相不同析出行为造成的锯齿晶界.结果表明:在晶界上析出γ'相形态不同是锯齿晶界形成的主导因素.热处理时固溶冷却速率不同,晶界上析出的γ'相数量、尺寸和形态不同,对晶界锯齿形状有强烈影响.当冷却速率由0.1℃/s增大至10.8℃/s时,晶界锯齿振幅由4.02μm变为0.63μm,锯齿的波长则随冷却速率增大而变大.γ'相形态失稳的不同形状和尺寸是造成晶界锯齿振幅大小的主要因素.晶界两侧分布着不同密度的γ'相颗粒,也可使晶界发生位移形成波浪式小振幅锯齿晶界.根据实验结果,提出了有关锯齿晶界的形成模式.【期刊名称】《材料工程》【年(卷),期】2015(043)006【总页数】7页(P7-13)【关键词】粉末高温合金;γ'相;锯齿晶界【作者】杨万鹏;胡本芙;刘国权;吴凯【作者单位】北京科技大学材料科学与工程学院,北京100083;北京科技大学材料科学与工程学院,北京100083;北京科技大学材料科学与工程学院,北京100083;北京科技大学新金属材料国家重点实验室,北京100083;北京科技大学材料科学与工程学院,北京100083【正文语种】中文【中图分类】TG113.2新一代高推重比航空发动机用双晶粒组织粉末涡轮盘上不同工作区域具有不同的力学性能要求。

为提高双晶粒组织涡轮盘轮缘粗晶组织的高温蠕变强度，阻止晶界上的裂纹和孔洞形核与长大是十分重要的，使轮缘粗晶粒呈锯齿状晶界对阻止晶界裂纹是十分有效的强化方法。

Zhang等指出UDIMET 710合金中锯齿晶界可降低高温下晶界移动速率，提高蠕变抗力[1]。

Yao等发现锯齿晶界的形成可减少三角晶界处的应力集中和增加晶界滑移距离，从而强化晶界[2]。