多組元作用對第四代鎳基單晶高溫合金組織和高溫低應(yīng)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(yīng)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(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪葉片的首選材料。自本世紀(jì)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(diǎn)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(jī)理復(fù)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(dāng)代鎳基單晶高溫合金成分設(shè)計(jì)與優(yōu)化中最具有挑戰(zhàn)性的研究問題。基于研究背景和課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(cuò)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(yīng)力條件下的蠕變性能、組織演變和位錯(cuò)組態(tài)的影響規(guī)律,分析了四種元素獨(dú)立和交互作用對合金高溫組織穩(wěn)定性和高溫低應(yīng)力蠕變行為的影響機(jī)理。標(biāo)準(zhǔn)熱處理后各實(shí)驗(yàn)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(cuò)網(wǎng)絡(luò)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(cuò)配度大??；而Co對錯(cuò)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：Co和Ru降低了合金元素的擴(kuò)散速率從而減緩丫’相的長大過程。此外,Co降低γ/γ’錯(cuò)配度進(jìn)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(jìn)而顯著促進(jìn)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(yīng)力(1100℃/140MPa)條件下的蠕變性能、組織演變和位錯(cuò)結(jié)果研究表明：價(jià),相界面位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和TCP相的析出是影響本文實(shí)驗(yàn)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(cuò)網(wǎng)絡(luò)變密,進(jìn)而發(fā)揮重要的蠕變強(qiáng)化作用。但二者含量的增加強(qiáng)烈促進(jìn)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(cuò)網(wǎng)絡(luò)間距增大,進(jìn)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(shí)增大了γ/γ’錯(cuò)配度和界面位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)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(yīng)力蠕變行為。組織穩(wěn)定性元素Co和Ru(特別是Ru)與蠕變強(qiáng)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(shí)增加Ru和Cr或Ru和M