難熔金屬元素對模型Ni-Al-Cr基高溫合金相析出行為影響研究.pdf

1、鎳基高溫合金由于其獨特的雙相組織而具備優(yōu)異的高溫機械性能和抗氧化等綜合性能，已成為制造先進航空航天發(fā)動機和燃氣輪機葉片的主要材料?，F(xiàn)代商用鎳基合金大多在 Ni-Al-Cr三元系基礎(chǔ)上添加多種合金元素（尤其是難熔金屬元素）制備而成。這些難熔金屬元素同時分布于γ(FCC)和γ'(L12)兩相，主導(dǎo)合金的相析出行為，對合金顯微組織和高溫力學(xué)性能有決定性的影響。因此，開展難熔金屬元素對鎳基合金相析出行為影響的研究，為高性能合金優(yōu)化設(shè)計提供理論指

2、導(dǎo)，具有一定的科學(xué)意義及實踐價值。
　　本課題在美國西北大學(xué)原子探針技術(shù)中心開展的鎳基高溫合金及難熔金屬元素添加對合金性能影響研究體系基礎(chǔ)上，采用原子探針層析技術(shù)（APT）和第一性原理等實驗和理論方法，針對不同固溶時效參數(shù)下的多種模型Ni-Al-Cr基合金，研究分析難熔金屬元素R（W、Re、Ru、Ta）對模型合金納米結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分及界面特征的影響，主要研究內(nèi)容及結(jié)論如下：
　?、偬剿麟y熔金屬元素 W、Re交互作用對模型 Ni

3、-Al-Cr基合金析出相納米結(jié)構(gòu)演化的影響。利用APT實現(xiàn)元素原子的三維重構(gòu)，實驗結(jié)果顯示，在淬火狀態(tài)下的合金中，已有球形γ'相顆粒析出。淬火狀態(tài)和時效0.25 h時，部分γ'相顆粒由脖頸連通，說明在早期粗化階段，經(jīng)典 Ostwald熟化機制和析出相顆粒合并機制共存。隨著時效時間延長，析出相平均半徑不斷增大，數(shù)量密度則不斷降低。在析出相體積分數(shù)穩(wěn)定時效期間，平均半徑和數(shù)量密度粗化時間指數(shù)和 UO模型預(yù)測值接近，說明合金至少處于準穩(wěn)態(tài)粗化

4、狀態(tài)。
　?、诜治?W、Re對模型 Ni-Al-Cr基合金化學(xué)演化的影響，測試分析相析出過程中合金元素在兩相和界面區(qū)域的分布規(guī)律。結(jié)果顯示，在整個時效過程中，Ni的兩相濃度無明顯變化，Al、W元素不斷擴散進入γ'相，Cr、Re元素則傾向流入基體相。W、Re元素擴散性能較差，在兩相中的分配演化速率緩慢，因此，添加W、Re可減緩合金成分平衡進程。合金界面寬度值隨時效時間延長而變小，時效256 h后，標準化界面寬度趨于零，說明長期時效后

5、合金的界面區(qū)域非常狹窄。
　?、劢Y(jié)合 APT和顯微硬度測試結(jié)果，針對系統(tǒng)添加難熔金屬元素的多種模型Ni-Al-Cr基合金，開展長期時效后合金元素分布規(guī)律研究。研究結(jié)果表明，難熔金屬元素Re、Ru優(yōu)先分配至γ相，W、Ta原子則更多分布在γ'相中，4種元素均優(yōu)先占據(jù)γ'(L12)相的 Al位。添加難熔金屬元素后，更多 Ni原子停留于γ相中。難熔金屬元素可強化 Al、Cr兩相分配行為，提高析出相體積分數(shù)，對兩者的強化效果遵循同樣規(guī)律。得

6、益于難熔金屬元素的固溶強化作用與γ'相體積分數(shù)的增長，合金硬度提高。
　?、芊治瞿Ｐ?Ni-Al-Cr基合金長期時效后仍然存在的 Ni界面過剩現(xiàn)象，探索添加難熔金屬元素對界面偏聚行為的影響機制。結(jié)合實驗APT徑向分布函數(shù)以及第一性原理計算結(jié)果，對 R（W、Re、Ru、Ta）和 S（S=Al、Cr）原子結(jié)合能進行計算，并分析 R和 S原子之間的空間相關(guān)性和結(jié)合能狀態(tài)。分析結(jié)果顯示，難熔金屬元素和溶質(zhì)元素原子之間存在化學(xué)結(jié)合能，R-S