镍基单晶高温合金

摘要： 研究了一种含Re镍基单晶高温合金的长时组织演化规律。通过选晶法在真空定向凝固炉中制备出[001]取向的单晶合金试棒,经过热处理后,在大气炉中进行950°C的高温长时时效,研究了不同时间时效后的单晶试棒γ/γ′的筏化规律。研究结果表明:该单晶高温合金具有良好的长时组织稳定性,在950°C/10000 h时效下无TCP相析出,2000 h、5000 hγ′相与基体保持共格,有粗化趋势,10000 h后由于元素迁移,γ/γ′相界面能和弹性应变能降低,导致γ′呈长方体与立方体共存。

摘要： 采用液态金属定向凝固试验研究了温度梯度对籽晶法制备镍基单晶高温合金DD6凝固组织的影响规律。结果表明:温度梯度约为50°C/cm的情况下,定向凝固过程中籽晶段可分为完全熔化区、糊状区、热影响区和原始组织区。将温度梯度提高到200°C/cm,可以缩小糊状区和热影响区范围,提高热影响区元素的均匀化程度。高温度梯度可以消除籽晶原始组织对一次枝晶间距的影响,抑制籽晶回熔区杂晶的形成。

摘要： 为提高镍基单晶高温合金DD5的磨削表面质量,采用单因素试验探究3种磨削加工方法(干磨削、传统浇注式、微量润滑(minimum quantity lubrication,MQL))对其表面完整性的影响。结果表明:在不同冷却条件下,DD5磨削表面粗糙度从低到高依次为MQL、传统浇注式、干磨削方式下的。当砂轮线速度较小时,磨削表面质量较差,存在较深划痕和沟槽;当砂轮线速度较大时,磨削表面质量较好,磨痕较小,且分布均匀。在距磨削表面为5~15μm时,DD5亚表面显微硬度随着深度的增加而急剧下降;在距磨削表面为20~150μm时,DD5亚表面显微硬度趋于平衡,其在540 HV附近波动。

摘要： 为适应航空发动机越来越高的燃气工作温度,镍基单晶高温合金的成分在近半个世纪的发展中持续优化,以不断提高合金的综合高温性能。铼(Re)元素的加入发挥了关键的高温强化作用,然而Re的高度稀散和高昂价格急剧增加了合金的应用风险和制造成本,不利于合金的应用发展。本文以镍基单晶高温合金微观组织设计为基础,首先总结了国内外历代单晶高温合金的成分发展趋势和设计理念,随后聚焦近年来合金发展对降低Re含量的设计需求,总结了目前新型低Re合金的发展现状,最后综述了单晶高温合金成分设计方法的发展,旨在为合金的成分设计提供参考。

摘要： 镍基单晶高温合金因优异的高温力学性能而被广泛应用于航空发动机和地面燃气轮机的涡轮叶片等关键热端部件。Ru元素作为第四代、第五代镍基单晶高温合金的主要特征元素,其添加对合金从凝固特性到最终的服役性能都起到关键的影响。本文从镍基单晶高温合金的凝固特性、凝固组织、TCP相析出及蠕变性能等方面出发,综述了Ru元素对镍基单晶高温合金影响的研究进展,系统分析了Ru的添加对合金凝固路径、凝固特征温度、微观偏析等凝固特性及共晶、碳化物等凝固组织的影响规律,并重点探究了Ru的添加能抑制TCP相析出及提高合金蠕变性能的原因。目前由于多组元交互作用对组织与性能影响机理的复杂性,使得含Ru高温合金的成分设计与优化具有更高的挑战,建议未来含Ru高温合金的相关研究从富Ru新相的析出原因及抑制、Ru添加对凝固缺陷的影响及Ru与其他元素交互作用对“逆分配”效应及TCP相析出的影响机制等方面做进一步探究,为发展新型高性能含Ru高温合金的设计提供思路。

摘要： 为了探究不同激光功率及扫描速度下水导激光加工技术对镍基单晶高温合金加工微孔的影响规律及规律形成机理。使用自主研发的水导激光加工平台对镍基单晶高温合金CMSX-4在不同激光功率及扫描速度下进行1 mm微孔的加工。然后采用白光干涉仪、扫描电子显微镜和Vision64软件获得微孔加工时间、孔径、圆度、锥度及重铸层厚度随不同激光功率及扫描速度的变化规律,并研究变化规律的形成机理。结果表明,加工时间、锥度及重铸层厚度与激光能量强度有关。随着激光能量强度的增大,加工时间缩短,锥度变小,重铸层厚度变小。孔径和圆度受激光能量强度及其在材料表面分布的影响。仅当激光能量作用范围控制在水束直径范围下时,孔径及圆度相应获得较好的加工质量。

摘要： 对一种新型镍基单晶高温合金在不同应变幅(0.7%~1.2%)下进行760°C高温低周疲劳试验,探讨了应变幅对合金低周疲劳行为的影响,分析了其疲劳塑性变形特点和疲劳断裂机制。结果表明:随着应变幅的增加,合金的低周疲劳寿命缩短,循环软化程度显著降低;当应变幅为0.7%,0.8%时,位错在与应力轴垂直的基体通道中的平面滑移及位错滑移带的形成是疲劳变形的主要方式,疲劳裂纹起源于合金内部缩孔处,断口形貌的主要特征是疲劳解理台阶和撕裂棱,断裂机制为解理断裂;当应变幅为1.0%,1.2%时,位错剪切γ′相粒子及层错的出现是合金变形的主要特征,裂纹起源于合金表面应力集中的滑移带或显微疏松位置,裂纹在{111}滑移面上沿〈110〉方向扩展,断口形貌的主要特征是锯齿台阶和河流花样,断裂机制为解理断裂。

摘要： 研究了[001]取向第二代镍基单晶高温合金760°C下的低周疲劳行为,主要通过低周疲劳断口形貌和位错组态等研究镍基单晶高温合金不同阶段的低周疲劳机制。镍基单晶高温合金低周疲劳的裂纹萌生区,主要是,和方向的位错在γ′相内部增殖和运动;在扩展阶段存在位错大量运动,部分区域80%可观察到位错网;进入瞬断阶段,试样承受的应力非常大,开动的滑移系数量多,滑移方式多样,除了在{111}滑移面内进行滑移外,还有交滑移和攀移等方式,形成连续的阶梯台阶结构。

摘要： 镍基单晶高温合金具有优异的高温性能,是工业燃气轮机叶片和先进航空发动机的首选材料,其合金化元素有十余种,元素之间相互作用复杂。综述了镍基单晶高温合金元素相互作用方面的研究进展,包括元素之间共同作用对γ/γ′相界强度的影响,添加元素对其他元素偏析的影响,及引起的逆分配现象等,并对镍基单晶高温合金的发展方向进行了展望。

摘要： 为了探索合适的外延激光金属成形(E-LMF)工艺沉积块状镍基单晶高温合金,选择了合适的激光功率、扫描速度、冷却方式组成了九组实验,得到了合适的工艺组合并研究了微观组织演变及形成机理。结果表明:在500 W,13 mm/s, 3 g/min及一般水冷的工艺下可以实现无裂纹的连续外延生长;过大的冷却速度会导致过大的热应力从而诱发裂纹的产生;主体区域为外延生长区,在表面和两端存在非外延生长区。

摘要： 镍基单晶高温合金为目前航空发动机叶片的主要材料,它的高温服役性能和寿命对发动机整体寿命和经济性能具有重要影响.镍基高温合金之所以具有好的高温性能,和其微观结构及其演化密不可分.在高温和载荷作用下,镍基单晶高温合金中规则的立方体沉淀相发生筏化,这种现象伴随着变形失效的全过程,对筏化-解筏现象的定量研究是镍基单晶高温合金力学性能和应用研究的核心.本项目旨在建立得到广泛验证的筏化-解筏的全寿命描述模型,应用于工程实际,解决单晶叶片的强度和寿命问题.通过大量不同温度、应力水平、复杂应力状态及蠕变-疲劳交互作用下的试验研究，提取基体相宽度作为内变量，得到了筏化形貌的定量描述，结合寿命曲线分析得到了筏化和蠕变时间之间的定量关系。基于晶体塑性理论，结合Orowan位错机制提出了一个本构模型描述镍基单晶合金的沉淀相尺度效应，并把该模型植入大型商用软件ABAQUS中，计算结果和实验结果对比表明，该模型可以较准确的预测镍基单晶高温合金的沉淀相尺度效应。考虑疲劳损伤与蠕变损伤，并考虑两者之间的交互作用，建立了蠕变-疲劳本构模型以及寿命模型，实现了模型的程序化，模拟计算与试验结果对比表明，提出的命模型可以较准确的对镍基单晶高温合金的行为进行表征和预测。

摘要： 使用直径为0.9mm、表层电镀500#粒度磨粒的微磨棒对垂直于镍基单晶高温合金面的微磨削加工，通过对微磨削亚表面塑性变形层的微观组织观察得出镍基单晶高温合金的剪切滑移发生在沿着晶格内部的晶面族。通过单因素试验分析得出:随着进给速度和磨削深度的增大，镍基单晶高温合金的微磨削切向磨削力、法向磨削力和亚表面损伤深度均呈增大趋势:进给速度大时，砂轮堵塞严重，磨削表面出现明显的震痕，亚表面损伤也大;磨削深度较大时，磨削表面沟壑较深，表面质量差，出现了较大的塑性变形层,随着主轴转速的增大，切向磨削力、法向磨削力和塑性变形层厚度呈减小趋势;但主轴转速过高时，变形层厚度也会出现增大的现象。在镍基单晶高温合金微型零件的生产过程中，很有必要采取措施来减小塑性变形层，以达到避免或者减小在高温工作环境环境中磨削表面发生再结晶的可能性。

摘要： 单晶材料结晶取向一致,因此其位错较少,杂质原子等微观缺陷也相对较少,机械性能较好,与其他晶体材料相比具有良好的拉伸、剪切强度和延展性.由于单晶材料没有晶粒边界,较常规的晶体材料而言,其具有更好的热、疲劳和蠕变性能.本文所研究的DD98材料是一种镍基单晶高温合金,其是航空发动机和燃气轮机叶片的重要材料,整个材料只有一个晶粒,消除了易产生裂纹源的晶界,使得其高温力学性能得到明显提高.

摘要： 本文研究了DD407镍基单晶高温合金的拉伸断裂特征,实验确定了经不同温度拉伸试验后DD407单晶合金的断裂特点.结果表明:合金的拉伸强度随拉伸温度的升高强度先增加后减小,在850°C左右存在一个强度峰值,其拉伸塑性在中温区域存在一个波谷,随拉伸温度的不同,试样断裂滑移系开动的数量、方式具有明显不同.

摘要： 对一种完全热处理态单晶高温合金进行高温持久断裂后,对近断口表面1mm处的显微缩孔、裂纹与合金组织进行了观察.用EBSD对微孔周边及裂纹尖端的应力分布状态进行了研究.结果表明,试样近断口处可观察到有多处裂纹起源于微孔;与基体的γ'相比,微孔附近的γ'严重变形.EBSD的结果显示,微孔周围与基体的取向差在10度到30度之间,距离微孔越近,取相差变化越为显著,这说明微孔周围存在严重的应力集中.

摘要： 本文研究了DD407镍基单晶高温合金的再结晶规律,实验对不同壁厚、不同吹砂应力、时间以及不同后续热处理的再结晶情况进行了系统研究.实验结果表明:DD407单晶合金再结晶情况随吹砂应力、时间的不同以及热处理温度的不同而不同,合金再结晶层的深度,再结晶晶粒的大小、数量都会随之产生相应的变化.

摘要： 本文选取一种经过标准工艺热处理的二代镍基单品样品，在1 100°C/137MPa应力和温度条件下蠕变到特定阶段（约70％蠕变寿命期）模拟服役情况，针对γ’沉淀相筏化严重的样品采用特定热处理工艺（固溶处理和二次时效处理）进行组织修复，即γ’沉淀相重新恢复为规整的立方体状和合适尺寸。研究结果表明，样品在外加约束力条件下进行组织修复，对其中γ’沉淀相尺寸大小、方形度和错配度有明显的作用效果，从而对修复后样品的蠕变行为有直接影响：无约束力条件下进行固溶处理和时效处理（传统修复工艺），样品高温持久寿命可达新料的70％以上，总寿命提高约1.4倍以上；有约束力条件下进行固溶处理和时效处理（优化修复工艺），样品的高温持久寿命可达新料的95％以上，总寿命提高至2倍以上。

摘要： 采用CAFE模型模拟了螺旋选晶器的选晶过程.结果表明:选晶器引晶段的主要作用是优化晶粒取向,随着距引晶段底部距离的增加,晶粒尺寸逐渐增大,晶粒数量逐渐减少,＜001＞晶向与热流方向偏离角较大的晶粒逐渐被淘汰,使最终进入选晶段的晶粒取向处于15°以内.选晶段的主要作用是获得单一晶粒,对晶粒取向没有优化作用.在选晶过程中,靠近螺旋通道内侧的晶粒会逐渐淘汰螺旋通道外侧的晶粒,并被选为最终的单晶.

摘要： 采用CAFE模型模拟了螺旋选晶器的选晶过程.结果表明:选晶器引晶段的主要作用是优化晶粒取向,随着距引晶段底部距离的增加,晶粒尺寸逐渐增大,晶粒数量逐渐减少,＜001＞晶向与热流方向偏离角较大的晶粒逐渐被淘汰,使最终进入选晶段的晶粒取向处于15°以内.选晶段的主要作用是获得单一晶粒,对晶粒取向没有优化作用.在选晶过程中,靠近螺旋通道内侧的晶粒会逐渐淘汰螺旋通道外侧的晶粒,并被选为最终的单晶.

摘要： 采用CAFE模型模拟了螺旋选晶器的选晶过程.结果表明:选晶器引晶段的主要作用是优化晶粒取向,随着距引晶段底部距离的增加,晶粒尺寸逐渐增大,晶粒数量逐渐减少,＜001＞晶向与热流方向偏离角较大的晶粒逐渐被淘汰,使最终进入选晶段的晶粒取向处于15°以内.选晶段的主要作用是获得单一晶粒,对晶粒取向没有优化作用.在选晶过程中,靠近螺旋通道内侧的晶粒会逐渐淘汰螺旋通道外侧的晶粒,并被选为最终的单晶.

摘要： 本发明涉及镍基高温合金技术领域，尤其是涉及镍基高温合金、镍基高温合金粉末和镍基高温合金构件。该镍基高温合金，由按质量百分数计的如下组分组成：Cr 9%~16%、Co 8%~15%、Al 4.3%~5.5%、Ti 0.3%~0.5%、Mo 0.65%~0.9%、W 9.8%~15%、Ta 2.7%~3.4%、Zr 0.006%~0.016%、B 0.015%~0.08%、C 0.05%~0.8%，余量为Ni和不可避免的杂质。该镍基高温合金具有优异的可打印性能和力学性能，由其制得的镍基高温合金粉末在增材制造后，无微裂纹出现，且力学性能优异。

摘要： 本发明提供了一种适用于单晶镍基高温合金叶片的高温防护涂层材料，所述高温防护涂层材料的化学成分为1.5～10.0wt.％Cr，3.0～12.0wt.％Co，8.0～12.0wt.％Al，0～3.0wt.％Re，0～6.0wt.％W，0～2.0wt.％Mo，0.5～7.0wt.％Ta，0.01～0.2wt.％Hf，0.1～0.3wt.％Y，余量Ni；所述高温防护涂层材料在1050°C下相平衡组织为γ'相。采用所述高温防护涂层材料制备出的涂层的高温氧化性能优于MCrAlY(M＝Ni，Co，或NiCo)和β‑NiAl涂层，与NiPtAl涂层相当，涂层‑基体之间形成冶金结合，但不会像MCrAlY涂层、β‑NiAl涂层和NiPtAl涂层那样与单晶基体形成二次反应区，从而避免了涂层损害单晶基体力学性能问题。采用所述材料制备出的涂层可用作独立的抗高温耐腐蚀涂层使用，也可用作热障涂层粘结层，制备的热障涂层抗热冲击寿命优于NiPtAl/YSZ热障涂层。

摘要： 本发明涉及镍基高温合金技术领域，尤其是涉及镍基高温合金、镍基高温合金粉末和镍基高温合金构件。该镍基高温合金，由按质量百分数计的如下组分组成：Cr 9%~16%、Co 8%~15%、Al 4.3%~5.5%、Ti 0.3%~0.5%、Mo 0.65%~0.9%、W 9.8%~15%、Ta 2.7%~3.4%、Zr 0.006%~0.016%、B 0.015%~0.08%、C 0.05%~0.8%，余量为Ni和不可避免的杂质。该镍基高温合金具有优异的可打印性能和力学性能，由其制得的镍基高温合金粉末在增材制造后，无微裂纹出现，且力学性能优异。

摘要： 本发明提供了一种适用于单晶镍基高温合金叶片的高温防护涂层材料，所述高温防护涂层材料的化学成分为1.5～10.0wt.％Cr，3.0～12.0wt.％Co，8.0～12.0wt.％Al，0～3.0wt.％Re，0～6.0wt.％W，0～2.0wt.％Mo，0.5～7.0wt.％Ta，0.01～0.2wt.％Hf，0.1～0.3wt.％Y，余量Ni；所述高温防护涂层材料在1050°C下相平衡组织为γ'相。采用所述高温防护涂层材料制备出的涂层的高温氧化性能优于MCrAlY(M＝Ni，Co，或NiCo)和β‑NiAl涂层，与NiPtAl涂层相当，涂层‑基体之间形成冶金结合，但不会像MCrAlY涂层、β‑NiAl涂层和NiPtAl涂层那样与单晶基体形成二次反应区，从而避免了涂层损害单晶基体力学性能问题。采用所述材料制备出的涂层可用作独立的抗高温耐腐蚀涂层使用，也可用作热障涂层粘结层，制备的热障涂层抗热冲击寿命优于NiPtAl/YSZ热障涂层。

摘要： 本发明提供了一种镍基单晶高温合金籽晶合金的成分设计方法及镍基单晶高温合金籽晶合金，属于单晶高温合金制备技术领域。本发明所述成分设计方法所得镍基单晶高温合金籽晶合金能与镍基单晶高温合金的母合金保持高度的匹配性，使两者晶格常数差不超过1.5％；本发明所述镍基高温合金籽晶与其所生长的单晶合金在相同温度梯度下的枝晶间距不超过50μm，能够减小籽晶和单晶母合金之间的界面能，并减小单晶中各元素在枝晶间的偏析，有效提高了籽晶外延生长速率与单晶高温合金组织的致密性和均匀性；本发明所制备的镍基单晶高温合金籽晶合金与母合金的液相线温度相差不超过20°C，有效降低了因籽晶回熔产生的杂晶，从而防止单晶制备失败或取向偏离的概率。

摘要： 本发明涉及一种镍基单晶高温合金中提高高温抗蠕变性能的改性方法，包括：镍基单晶高温合金A，其成分包括有：5.5～6.5wt％的Al，2.5～3.5wt％的W，3～3.5wt％的Re，2.5～3.5wt％的Mo，4.5～5.5wt％的Cr，9.5～10.5wt％的Co，0.05～0.15wt％的Hf，0.5～1.5wt％的Nb，5.0～6.0wt％的Ta，其余为Ni。在合金A中加入微量元素碳、硼后，得到改性合金Mod A。在850°C/430MPa、950°C/210MPa、1050°C/165MPa三种蠕变条件下，改性合金Mod A第三阶段的高温抗蠕变性能得到了明显的提高，其持久性能比原合金A分别提高了40～50h、500～520h和50～60h，可使用于高性能长寿命航空发动机涡轮叶片材料。

摘要： 本发明提供了一种镍基单晶高温合金籽晶合金的成分设计方法及镍基单晶高温合金籽晶合金，属于单晶高温合金制备技术领域。本发明所述成分设计方法所得镍基单晶高温合金籽晶合金能与镍基单晶高温合金的母合金保持高度的匹配性，使两者晶格常数差不超过1.5％；本发明所述镍基高温合金籽晶与其所生长的单晶合金在相同温度梯度下的枝晶间距不超过50μm，能够减小籽晶和单晶母合金之间的界面能，并减小单晶中各元素在枝晶间的偏析，有效提高了籽晶外延生长速率与单晶高温合金组织的致密性和均匀性；本发明所制备的镍基单晶高温合金籽晶合金与母合金的液相线温度相差不超过20°C，有效降低了因籽晶回熔产生的杂晶，从而防止单晶制备失败或取向偏离的概率。

摘要： 本发明提供一种改性镍基单晶高温合金、镍基单晶高温合金的中温持久性能的改性方法及应用。所述改性镍基单晶高温合金包含镍基单晶高温Base合金的成分及微量元素；所述镍基单晶高温Base合金的成分包括Cr、Al、Ta、Co、Mo、Re、W、Nb、Y和Ni；所述微量元素选自Hf、B和C中的至少一种。本发明所述的改性方法简单可靠，成本低，适用于工业化生产，在第三代单晶高温合金涡轮工作叶片的改性中具有广阔的前景。

摘要： 本发明公开了一种高强抗高温氧化无铼第二代镍基单晶高温合金及其热处理工艺，属于镍基单晶高温合金领域。该合金化学成分(wt.％)：Cr：6.0～8.0％，Co：8.0～10.0％，W：6.0～9.0％，Mo：1.0～3.0％，Nb：0～2％，Al：4.0～7.0％，Ti：0.5～1.5％，Ta：1.0～5.0％，C：0.02～0.06％，B：0.001～0.003％，Ce：0～0.02％，Y：0～0.01％，Hf：0～0.2％，其余为Ni。该合金具有优异的低温、中温和高温强度和抗氧化性能，持久、拉伸和低周疲劳性能与含3wt.％Re的第二代单晶高温合金Rene N5相当，合金达到了完全抗氧化级别。

摘要： 本发明涉及一种镍基单晶高温合金中提高高温抗蠕变性能的改性方法，包括：镍基单晶高温合金A，其成分包括有：5.5～6.5wt％的Al，2.5～3.5wt％的W，3～3.5wt％的Re，2.5～3.5wt％的Mo，4.5～5.5wt％的Cr，9.5～10.5wt％的Co，0.05～0.15wt％的Hf，0.5～1.5wt％的Nb，5.0～6.0wt％的Ta，其余为Ni。在合金A中加入微量元素碳、硼后，得到改性合金Mod A。在850°C/430MPa、950°C/210MPa、1050°C/165MPa三种蠕变条件下，改性合金Mod A第三阶段的高温抗蠕变性能得到了明显的提高，其持久性能比原合金A分别提高了40～50h、500～520h和50～60h，可使用于高性能长寿命航空发动机涡轮叶片材料。