二代镍基单晶高温合金的显微结构演变

摘要

镍基单晶高温合金是广泛应用于航空发动机涡轮叶片的首选结构材料，其工作特点是高温和高应力环境。该类合金在高温下仍能保持优异的力学性能依赖于其特殊显微结构。镍基单晶高温合金显微结构由γ相中弥散分布大量γ′相构成。为提高合金高温服役的稳定性，合金中加入了十种以上合金强化元素。添加的合金元素对合金的相结构、缺陷结构的作用直接决定合金的高温性能。研究各个合金元素的强化机理，给出具有最佳服役性能时的微观相结构和缺陷结构，确定最佳熔炼工艺、加工工艺、热处理工艺，是得到优质单晶镍基高温合金的主要途径。本文利用原位电子显微学、原位X射线衍射等测试分析技术，对镍基单晶高温合金DD5在近服役条件下的高温氧化、高温时效、相界面迁移、重要合金元素与缺陷的交互作用、显微结构演化与合金的性能进行了研究。
　　本研究主要内容包括：⑴原位研究镍基单晶高温合金高温低压氧化过程：在环境透射电子显微镜（TEM）中利用加热样品台原位测试研究镍基单晶高温合金DD5在850℃、氧压5*10-2Pa条件下，两相氧化过程和氧化诱导的γ′相转变为γ相过程。高分辨 TEM、选区电子衍射（SAED）、X射线能量色散谱（EDS）、电子能量损失谱（EELS）等测试分析研究表明γ′相低压氧化产物为尺寸约1~3nm、取向与原γ′相共格的γ-Al2O3纳米晶，与原有相共格关系为(111)γ-Al2O3//(001)γ′，γ-Al2O3//[1-10]γ′或[1-10]γ-Al2O3//[-1-10]γ′；γ相低压氧化产物主要为疏松 NiO纳米颗粒。从纳米尺度上证明：氧化过程中γ′相有序结构随着γ-Al2O3的产生被逐渐破坏，即γ′相中的Al元素被氧化导致γ′-γ相变。同时分析研究证明了高温合金中氧优先扩散通道为γ/γ′相界面。⑵实现了对时效过程中的镍基单晶高温合金晶体结构演变的表征。通过原位高温X射线衍射（XRD）试验发现，随温度升高γ与γ'相晶格常数迅速升高，错配度绝对值逐渐减小；在保温时效过程中，随着时效时间的延长，合金中溶质元素发生再分配会导致γ与γ'相晶格常数略微增加，但合金中γ/γ'相界面的错配度基本无变化。⑶发展了一种新型制备块体材料原位芯片加热TEM样品的方法：在聚焦离子束加工仪（FIB）中将TEM样品中适合观察的区域转移至加热芯片上，保证了原位观察样品薄区大、镓离子污染较少且变温过程中较稳定。对于需要预先甄选样品形貌的原位试验，该方法可大大缩短制样周期。该方法也适用于其他导电块体材料。⑷原位研究相界面与相界面位错在相界面迁移过程中的交互作用：利用原位加热样品台在球差校正电镜中，直接测试分析温度变化时γ/γ′相界面的迁移行为，证明了相界面迁移会导致相界面位错发生位置和形态的改变，但位错始终位于界面上不会逃逸；相界面与单根界面位错的交互作用产生的相界面凹槽为尖角状，表明位错对相界面的影响范围较窄；结合位错核成分分析，本文提出一种新型相界面凹槽形成机制，界面位错附近偏聚的铼元素能够有效阻碍γ相中的γ'相形成元素Ni和Al扩散至γ'相，阻碍相界面迁移，进而在相界面附近形成凹槽。⑸关键合金元素铼在镍基单晶高温合金 DD5界面位错网络成分分布:结合高分辨扫描透射电子显微像（STEM）和Super-X对界面位错核心成分进行定量测试分析，确定铼元素偏聚于位错核心；发现热处理条件可调控镍基单晶高温合金相界面位错核心铼偏聚的浓度：a)冷却速度越慢，铼浓度越高；b)时效时长对界面位错核铼浓度分布区间影响不大，但会降低位错核之间铼浓度差别，即界面位错核铼分布更均匀；c)高温时效后先缓冷后回炉能够大大缩短将相界面位错核铼浓度提升至一定数值所需时间。⑹原位研究了铼元素偏聚于界面位错核对镍基单晶高温合金性能的影响：在TEM中利用原位力学样品台研究了相界面位错核心铼浓度不同的样品中位错的行为，发现铼偏聚于界面位错核能够显著强化γ/γ′相界面。位错核低铼的相界面对位错运动阻碍作用较弱，位错易剪切相界面；而位错核高铼的相界面对位错运动的阻碍作用显著，位错运动局限于γ相内，剪切相界面较难。分子动力学和Monte Carrlo模拟计算研究表明铼偏聚对位错结构影响较小，能大幅降低界面位错能量（加入30wt.%铼后，位错每纳米长度能量下降152.7eV），稳定界面位错网络，并使位错附近弹性应力场复杂化，影响运动位错行为。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 镍基单晶高温合金中的相

1.3 镍基单晶高温合金中高温时的微观组织演变

1.4 选题依据和研究内容

第二章 实验仪器与实验方法简介

2.1 合金概况

2.2 TEM分析模式

2.3 试验方法

第三章 镍基单晶高温合金氧化机理的原位TEM研究

3.1 前言

3.2 低压氧化

3.3 氧扩散通道

3.4 本章小结

第四章 镍基单晶高温合金显微结构的高温演变

4.1 前言

4.2 时效过程中镍基单晶高温合金形貌变化

4.3 时效过程中镍基单晶高温合金晶体结构变化

4.4 变温时高温合金相界面与界面位错的相互作用

4.5 本章小结

第五章 铼效应

5.1 铼效应研究背景

5.2 相界面位错界面网络上铼元素的分布

5.3 界面位错核铼浓度对镍基单晶高温合金力学性能的影响

5.4 理论分析

5.5 本章小结

第六章 结论及展望

参考文献

致谢

个人简历

攻读学位期间发表的学术论文与取得的其他研究成果