镍基单晶高温合金研究进展.

合集下载

Mo和Ru在镍基单晶高温合金中的作用中期报告

Mo和Ru在镍基单晶高温合金中的作用中期报告摘要：本文对镍基单晶高温合金中Mo和Ru的作用进行了研究，并总结了目前相关领域的研究进展。

Mo和Ru是镍基单晶高温合金中常用的合金元素，能够提高材料的热稳定性和抗氧化性能。

研究表明，Mo和Ru对高温合金的力学性能和高温蠕变性能有重要影响。

同时，Mo和Ru的添加也会影响材料的晶粒生长和相变行为。

通过对Mo和Ru添加量的优化，可以进一步提高材料的力学性能和高温稳定性。

关键词：镍基单晶高温合金，Mo，Ru，高温稳定性，力学性能，高温蠕变性能Abstract:This paper investigates the effects of Mo and Ru on nickel-based single crystal high-temperature alloys and summarizes the current research progress in related fields. Mo and Ru are common alloying elements in nickel-based single crystal high-temperature alloys, which can improve their thermal stability and oxidation resistance. The studyshows that Mo and Ru have important effects on the mechanical properties and high-temperature creep properties of high-temperature alloys. In addition, the addition of Mo and Ru also affects the grain growth and phase transformation behavior of the material. By optimizing the amount of Mo and Ru added, the mechanical properties and high-temperature stability of the material can be further improved.Keywords: nickel-based single crystal high-temperature alloy; Mo; Ru; high-temperature stability; mechanical properties; high-temperature creep properties。

镍基单晶高温合金DD5_磨削成屑机理研究

镍基单晶高温合金DD5磨削成屑机理研究*于贵华1，朱　涛1，蔡　明1，安志欣1，王成静2，罗书宝1（1. 辽宁石油化工大学机械工程学院, 辽宁抚顺 113001）（2. 辽宁石油化工大学石油化工学院, 辽宁抚顺 113001）摘要　为研究镍基单晶高温合金DD5的磨削去除机理，提高其加工效率，针对镍基单晶高温合金具有显著各向异性的特点，建立基于Hill 模型的三维有限元磨削模型，研究镍基单晶高温合金DD5的表面加工形貌和切屑形貌，分析切屑形貌演变过程及其磨削力变化，探究磨削速度对切屑形貌和切屑形成频率的影响。

研究表明：在磨削参数范围内，加工DD5容易出现锯齿形切屑；磨削力呈稳定增加并伴有一定的周期性波动，其波动情况与锯齿形切屑相对应；随着磨削速度的增大，磨粒能更快进入切削阶段，其临界成屑厚度由0.225μm 最终降为0.158 μm ，成屑阶段占比由85.0%提高到89.5%；临界划擦厚度受磨削速度变化影响不大；随着磨削速度的增加，DD5切屑形貌由锯齿分节密集堆叠的单元节状向连续型锯齿状转变，最后发展为条形带状切屑。

关键词　磨削；切屑形貌；镍基单晶高温合金DD5；有限元分析中图分类号　TG58; TH161　文献标志码　A 文章编号　1006-852X(2023)06-0760-12DOI 码　10.13394/ki.jgszz.2022.0169收稿日期　2022-10-11　修回日期　2023-01-16作为航空发动机涡轮盘、转子叶片、涡轮导向叶片等关键零部件的主要材料，镍基单晶高温合金具有优异的物理和化学性能，例如抗蠕变性能、耐高温性能、抗冲击性能等[1-2]。

然而，这些优异的力学性能也给其加工制造带来了巨大困难，使其出现加工质量差、加工成本高等缺点[3]。

和其他传统加工方式相比，磨削加工具有加工质量好、精度高等特点，能够满足镍基单晶高温合金在特殊工况下的使用条件[4]。

但是，在磨削过程中镍基单晶高温合金仍出现磨削温度高、磨削力大、能量损耗高、加工效率低等难点[5]。

镍基单晶合金高温蠕变行为的研究新进展

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。

54.镍基单晶高温合金的发展概况

镍基单晶高温合金的发展概况镍基单晶高温合金的发展概况黄爱华1，崔树森1，王少刚1，杨胜群1，刘秀玲2，于兴福1（1.沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司，辽宁沈阳110043；2.沈阳铸造研究所，辽宁沈阳110022）摘要：论述了单晶高温合金的制备方法，凝固过程的控制。

概述了单晶高温合金的发展历程以及合金成分的发展。

最后介绍了我国高温合金的发展状况。

关键词：镍基单晶高温合金；制备方法；合金成分高温合金由等轴晶经历了定向柱晶发展到单晶，既是发动机工作温度不断提高的要求，也是凝固技术持续发展的结果。

镍基单晶高温合金通常划分为五代，早期研制的单晶合金称为第一代单晶合金[1]，随着铼(Re)元素的引入，第二代和第三代单晶合金[2]相继出现，近期开始在单晶合金中加入元素钌(Ru)，从而研制出第四代至第五代单晶高温合金。

镍基高温合金广泛应用于航空、航天、舰船、发电、机床、石油和化工等工业领域，在航空发动机上主要用于制作热端部件，如涡轮工作叶片、导向叶片、涡轮盘、燃烧室和压气机等部件。

在整个高温合金领域中，镍基高温合金占有特殊重要的地位，与铁基和钴基合金相比，镍基合金具有更好的高温性能，良好的抗氧化和抗腐蚀性能，可以说，镍基高温合金的发展决定了航空涡轮发动机的发展，也决定了航空工业的发展。

采用定向凝固技术制备出的单晶合金，其使用温度已接近合金熔点的90%，成为当代先进航空发动机热端部件不可替代的重要结构材料。

1情况介绍铸件形成定向柱晶组织必须具备两个条件，一是热流必须垂直于晶体生长的固液界面单向流动;二是固液界前方的液体中没有稳定的晶核。

Bridgman法就是一种广泛应用的由高温熔体生长单晶的方法。

单晶和定向柱晶凝固过程的唯一差别是单晶必须是由一个晶核长大而成的。

获得单一晶核的方法通常有两种：即选晶法和籽晶法，两种方法各有优缺点、互相补充。

（1）螺旋生长法制备单晶的基本原理（图1，图2）,众多晶粒在经过螺旋形的单晶选择器后，只剩下生长最快的一个晶粒，从而形成单晶。

镍基单晶高温合金研究进展.

镍基单晶高温合金研究进展孙晓峰，金涛，周亦胄，胡壮麒（中国科学院金属研究所，沈阳 110016）摘要：单晶高温合金具有较高的高温强度、良好的抗氧化和抗热腐蚀性能、优异的蠕变与疲劳抗力、良好的组织稳定性和使用可靠性，广泛应用于涡轮发动机等先进动力推进系统涡轮叶片等部件。

由于采用定向凝固工艺消除了晶界，单晶高温合金明显减少了降低熔点的晶界强化元素，使合金的初熔温度提高，能够在较高温度范围进行固溶和时效处理，其高温强度比等轴晶和定向柱晶高温合金大幅度提高。

经过几十年的发展，单晶高温合金已经在合金设计方法、组织结构与力学性能关系、纯净化冶炼工艺和定向凝固工艺等方面取得了重要进展。

本文从单晶高温合金成分特点、合金元素作用、强化机理、力学性能各向异性、凝固过程及缺陷控制、单晶制备工艺等方面，简要介绍了单晶高温合金的主要研究进展。

关键词：单晶高温合金；强化机理；定向凝固；各向异性Research Progress of Nickel-base Single Crystal SuperalloysSun Xiaofeng, Jin Tao, Zhou Yizhou, Hu Zhuangqi(Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China)Abstract:Single crystal superalloys have been widely used to make turbine blades and guide vanes for aero-engines and industrial gas turbines because of improved strength, creep-rupture, fatigue, oxidation and hot corrosion properties as well as stable microstructure and reliability at high temperature environments. After removal of grain boundary by using directional solidification technique, grain boundary elements which decrease the incipient melting temperature were reduced remarkably in single crystal superalloys. Consequently, the solution and aging treatment of single crystal superalloys can be done at higher temperature due to the enhanced incipient melting temperature, and then the high temperature strength of single crystal superalloys is higher than that of equiaxed and directionally solidified superalloys. There were great progress on approach of alloy design, relationship between structure and mechanical performances, process of pure smelting and processing of directional solidification in the last decades. The present work reviews these progress from compositions of alloys, role of elements, mechanism of strengthening, anisotropy of mechanical properties, procedure of solidification, control of defects and processing of single crystal superalloys.Key words：single crystal superalloy；mechanism of strengthening；directional solidification；anisotropy of properties——————————————————基金项目：国家973计划项目（2010CB631206）通讯作者：孙晓峰，男，1964年生，研究员，博士生导师1引言高温合金（Superalloy）是以铁、镍、钴为基体的一类高温结构材料，可以在600℃以上高温环境服役，并能承受苛刻的机械应力。

K465镍基高温合金的研究共3篇

K465镍基高温合金的研究共3篇K465镍基高温合金的研究1K465镍基高温合金的研究随着工业化的发展，高温合金已经成为一种非常重要的材料。

高温合金具有高温下的稳定性和耐腐蚀性，在一些高温环境下有着广泛的应用。

K465镍基高温合金是一种应用广泛的高温合金。

K465镍基高温合金是一种有着优秀高温性能的金属材料。

它的主要成分是镍、铬和钼。

在高温下，K465合金具有良好的耐氧化性和耐腐蚀性。

这种合金在高温下还具有高的强度和良好的塑性。

K465合金是一种适用于航空、化工等领域的高性能材料。

K465镍基高温合金的研究是一项重要的课题。

近年来，K465合金的研究已经成为了材料科学领域的研究热点之一。

在国内外的研究者的共同努力下，K465高温合金已经取得了一系列的进展。

在K465镍基高温合金的研究中，研究者首先需要了解合金的组成和结构。

这项工作是研究的基础。

合金的组成和结构可以影响合金的性能和应用范围。

随着先进技术的不断发展，合金组成和结构的分析方法也得到了很大的提升。

现代的分析方法可以从微观和宏观两个方面对材料进行分析。

在K465镍基高温合金的研究中，还需要对合金的物理和化学性质进行研究。

材料的性质直接影响着材料的应用。

通过实验方法，可以对K465合金的物理和化学性质进行深入的了解，为合金的应用和改进提供科学依据。

在K465镍基高温合金的研究中，研究者也需要了解合金在高温环境下的行为。

高温下的合金的性能与室温下的合金不同，因此了解合金在高温环境下的行为对高温合金的应用和改进至关重要。

高温实验平台的建设和实验方法的研究也是这一领域的重要方向。

总的来说，K465镍基高温合金的研究是一项复杂而重要的课题。

在这一领域，需要有跨学科的研究和合作。

随着高温合金研究的不断深入，K465合金的应用范围也将会不断扩大，为科技的进步和工业的发展做出越来越大的贡献综上所述，K465镍基高温合金的研究需要综合运用现代分析方法，深入了解其组成、结构、物理和化学性质以及在高温环境下的行为，从而开发出更优质的合金材料，促进科技和工业的发展。

镍基高温合金材料的研究进展

镍基高温合金材料的研究进展一、本文概述镍基高温合金材料作为一种重要的金属材料，以其出色的高温性能、良好的抗氧化性和优异的力学性能，在航空航天、能源、化工等领域具有广泛的应用。

随着科技的快速发展，对镍基高温合金材料的性能要求日益提高，其研究进展也备受关注。

本文旨在全面综述镍基高温合金材料的最新研究进展，包括其成分设计、制备工艺、组织结构、性能优化以及应用领域等方面，以期为未来镍基高温合金材料的进一步发展提供理论支持和指导。

本文首先介绍了镍基高温合金材料的基本概念和特性，概述了其在不同领域的应用现状。

随后，重点分析了镍基高温合金材料的成分设计原理，包括合金元素的选取与配比，以及如何通过成分调控优化材料的性能。

在制备工艺方面，本文介绍了近年来出现的新型制备技术，如粉末冶金、定向凝固、热等静压等，并探讨了这些技术对材料性能的影响。

本文还深入探讨了镍基高温合金材料的组织结构特点，包括相组成、晶粒大小、位错结构等，并分析了这些结构因素对材料性能的影响机制。

在性能优化方面，本文总结了通过热处理、表面处理、复合强化等手段提高镍基高温合金材料性能的研究进展。

本文展望了镍基高温合金材料在未来的发展趋势和应用前景，特别是在新一代航空航天发动机、核能发电、高温传感器等领域的应用潜力。

通过本文的综述，旨在为相关领域的研究人员和企业提供有益的参考和借鉴，推动镍基高温合金材料的进一步发展和应用。

二、镍基高温合金的基础知识镍基高温合金，也称为镍基超合金，是一种在高温环境下具有优异性能的特殊金属材料。

它们主要由镍元素组成，并添加了各种合金元素，如铬、铝、钛、钽、钨、钼等，以优化其热稳定性、强度、抗氧化性、抗蠕变性和耐腐蚀性。

镍基高温合金的这些特性使其在航空航天、能源、石油化工等领域具有广泛的应用。

镍基高温合金之所以能够在高温环境下保持优异的性能，主要得益于其微观结构的特殊性质。

这些合金在固溶处理和时效处理后，会形成一系列复杂的金属间化合物，如γ'、γ''和γ'″等，这些化合物在基体中弥散分布，起到了强化基体的作用。

镍基单晶合金力学特性及其在冷却涡轮叶片上的应用分析

镍基单晶合金力学特性及其在冷却涡轮叶片上的应用分析一、本文概述本文旨在深入研究和探讨镍基单晶合金的力学特性，以及其在冷却涡轮叶片上的具体应用。

镍基单晶合金，以其出色的高温性能、优良的抗氧化性和卓越的机械强度，在航空航天领域，特别是在高性能涡轮发动机的设计制造中占据了重要地位。

涡轮叶片作为发动机中的关键部件，其性能直接影响到发动机的整体效率和安全性。

因此，研究镍基单晶合金的力学特性，以及如何利用这些特性优化涡轮叶片的设计和制造，具有重要的理论和实践意义。

本文首先将对镍基单晶合金的基本力学特性进行详细的分析，包括其强度、韧性、蠕变行为等关键性能指标。

接着，将探讨这些特性在高温、高应力等复杂环境下的变化规律，以及影响这些变化的主要因素。

在此基础上，本文将进一步分析镍基单晶合金在冷却涡轮叶片上的应用，包括叶片的设计、制造、性能测试等方面。

本文将总结镍基单晶合金在涡轮叶片领域的应用现状和发展趋势，以期为相关领域的研究和实践提供有益的参考和启示。

二、镍基单晶合金的力学特性镍基单晶合金，作为一种高性能材料，具有许多独特的力学特性，这些特性使其在航空、航天等高科技领域，特别是在冷却涡轮叶片的制造中发挥了重要作用。

镍基单晶合金具有极高的高温强度。

在高温环境下，许多金属材料的强度会大幅度下降，而镍基单晶合金则能在高温下保持较高的强度，这对于需要承受高温环境的涡轮叶片来说是非常重要的。

镍基单晶合金具有优异的抗蠕变性能。

蠕变是指材料在长时间持续应力作用下发生的缓慢塑性变形。

镍基单晶合金的优异抗蠕变性能使其在高温和长期应力作用下能够保持较好的尺寸稳定性，这对于涡轮叶片等需要长期承受高温和应力的部件来说至关重要。

镍基单晶合金还具有较好的延展性和韧性。

这意味着在受到外力冲击时，镍基单晶合金能够吸收较多的能量，而不易断裂，从而提高了部件的安全性和可靠性。

镍基单晶合金还具有良好的抗氧化性能。

在高温环境下，金属材料容易发生氧化，导致性能下降。

镍基单晶高温合金共晶溶解动力学研究

镍基单晶高温合金共晶溶解动力学研究随着现代工业技术的发展，高温合金已经成为了一种不可或缺的材料。

在高温、高压的环境下，这种材料表现出了优异的耐热、耐腐蚀性能，广泛应用于航空、航天、能源、化工等领域。

而其中，镍基单晶高温合金更是备受关注，因为它不仅具有高温下的优异性能，而且还具有良好的可锻性和可加工性。

然而，为了更好地利用这种材料，我们需要深入了解它的结构、性能和动力学特性。

本文将从共晶溶解动力学的角度出发，探讨镍基单晶高温合金的研究进展和未来发展方向。

一、镍基单晶高温合金的结构和性能镍基单晶高温合金是一种由镍、铬、钴等元素组成的合金材料，其晶体结构为面心立方结构。

这种材料具有高强度、高韧性、高耐热性和高耐腐蚀性等优异性能，可以在高温、高压的环境下保持稳定的力学性能和化学性能。

它被广泛应用于航空发动机、燃气轮机、核电站、化工反应器等领域。

镍基单晶高温合金的优异性能主要源于其特殊的晶体结构和成分。

它的晶体结构为面心立方结构，具有高度的晶体定向性和单晶性。

这种特殊的晶体结构可以有效地防止晶界和晶粒的形成，从而提高材料的疲劳寿命和抗氧化性能。

而其成分中的铬、钴等元素可以形成强大的氧化层，有效地防止材料的氧化和腐蚀。

此外，镍基单晶高温合金还具有良好的可锻性和可加工性，可以通过热加工、冷加工等方式进行加工和成型。

二、镍基单晶高温合金的共晶溶解动力学研究进展共晶溶解动力学是研究相变、溶解和固相反应等过程的基本学科。

在镍基单晶高温合金中，共晶溶解动力学研究对于深入了解其结构、性能和性能演化机制具有重要意义。

目前，国内外学者已经开展了大量的镍基单晶高温合金共晶溶解动力学研究，取得了一系列重要进展。

1. 共晶溶解过程的研究共晶溶解过程是镍基单晶高温合金中重要的相变过程之一。

在这个过程中，合金中的共晶组分会逐渐溶解到母相中，从而改变合金的组成和结构。

许多学者通过热重分析、差热分析等方法研究了共晶溶解过程的热力学和动力学特性。

DD419_镍基单晶高温合金980_℃下低周疲劳行为研究

第４２卷第４期２０２３年８月沈㊀阳㊀理㊀工㊀大㊀学㊀学㊀报ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｈｅｎｙａｎｇＬｉｇｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＶｏｌ４２Ｎｏ４Ａｕｇ２０２３收稿日期:２０２２－１２－２７基金项目:国家自然科学基金项目(５１８７１２２１)作者简介:祝祥(１９９７ )ꎬ男ꎬ硕士研究生ꎮ通信作者:杜晓明(１９７６ )ꎬ男ꎬ教授ꎬ博士ꎬ研究方向为先进铝合金的制备与加工成型ꎮ文章编号:１００３－１２５１(２０２３)０４－００６９－０６ＤＤ４１９镍基单晶高温合金９８０ħ下低周疲劳行为研究祝㊀祥１ꎬ杜晓明１ꎬ刘纪德２(１.沈阳理工大学材料科学与工程学院ꎬ沈阳１１０１５９ꎻ２.中国科学院金属研究所ꎬ沈阳１１００１６)摘㊀要:对ＤＤ４１９镍基单晶高温合金在９８０ħ下的低周疲劳行为进行试验研究ꎬ并对疲劳数据进行分析ꎬ获得该温度下合金疲劳参数ꎮ结果表明:该合金低周疲劳变形过程中ꎬ弹性变形起主要作用ꎬ塑性变形较低ꎻ循环应力响应行为以先循环软化㊁再趋于稳定为主要方式ꎬ并且随着应力幅的增加ꎬ循环寿命不断降低ꎮ低应变幅下ꎬ合金的疲劳断裂表现为脆性断裂的特征ꎬ并呈现出明显的多源疲劳特征ꎬ微观断口形貌的主要特征是出现准解理台阶ꎬ可判断准解理断裂是主要的断裂机制ꎮ关㊀键㊀词:镍基单晶高温合金ꎻ低周疲劳ꎻ疲劳寿命ꎻ断裂机制中图分类号:ＴＵ９７３.２＋５４文献标志码:ＡＤＯＩ:１０.３９６９/ｊ.ｉｓｓｎ.１００３－１２５１.２０２３.０４.０１１ＳｔｕｄｙｏｎＬｏｗＣｙｃｌｅＦａｔｉｇｕｅＢｅｈａｖｉｏｒｏｆＤＤ４１９ＮｉｃｋｅｌＢａｓｅＳｉｎｇｌｅＣｒｙｓｔａｌＳｕｐｅｒａｌｌｏｙａｔ９８０ħＺＨＵＸｉａｎｇ１ꎬＤＵＸｉａｏｍｉｎｇ１ꎬＬＩＵＪｉｄｅ２(１.ＳｈｅｎｙａｎｇＬｉｇｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＳｈｅｎｙａｎｇ１１０１５９ꎬＣｈｉｎａꎻ２.ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＭｅｔａｌＲｅｓｅａｒｃｈꎬＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓꎬＳｈｅｎｙａｎｇ１１００１６ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｔｈｅｌｏｗ￣ｃｙｃｌｅｆａｔｉｇｕｅｂｅｈａｖｉｏｒｏｆＤＤ４１９Ｎｉｃｋｅｌ￣ｂａｓｅｄｓｉｎｇｌｅｃｒｙｓｔａｌｓｕｐｅｒａｌｌｏｙａｔ９８０ħｉｓｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｌｙｓｔｕｄｉｅｄａｎｄｔｈｅｆａｔｉｇｕｅｄａｔａｉｓａｎａｌｙｚｅｄｔｏｏｂｔａｉｎｔｈｅｆａｔｉｇｕｅｐａ￣ｒａｍｅｔｅｒｓ.Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｅｌａｓｔｉｃｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｐｌａｙｓａｍａｊｏｒｒｏｌｅｉｎｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｌｏｗｃｙｃｌｅｆａｔｉｇｕｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎꎬｗｈｉｌｅｐｌａｓｔｉｃｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｉｓｒｅｌａｔｉｖｅｌｙｌｏｗ.Ｔｈｅｃｙｃｌｉｃｓｔｒｅｓｓｒｅ￣ｓｐｏｎｓｅｂｅｈａｖｉｏｒｉｓｃｙｃｌｉｃｓｏｆｔｅｎｉｎｇｆｉｒｓｔａｎｄｔｈｅｎｓｔａｂｉｌｉｚｉｎｇꎬａｎｄｔｈｅｃｙｃｌｉｃｌｉｆｅｄｅｃｒｅａｓｅｓｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｓｔｒｅｓｓａｍｐｌｉｔｕｄｅ.Ａｔｌｏｗｓｔｒａｉｎａｍｐｌｉｔｕｄｅꎬｔｈｅｆａｔｉｇｕｅｆｒａｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅａｌ￣ｌｏｙｓｈｏｗｓｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｂｒｉｔｔｌｅｆｒａｃｔｕｒｅꎬａｎｄｐｒｅｓｅｎｔｓｏｂｖｉｏｕｓｍｕｌｔｉ￣ｓｏｕｒｃｅｆａｔｉｇｕｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ.Ｔｈｅｍａｉｎｆｅａｔｕｒｅｏｆｔｈｅｍｉｃｒｏｓｃｏｐｉｃｆｒａｃｔｕｒｅｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙｉｓｔｈｅｐｒｅｓｅｎｃｅｏｆｑｕａｓｉ￣ｄｉｓｓｏｃｉａｔｉｏｎｆｒａｃｔｕｒｅꎬｂｙｗｈｉｃｈｉｔｃａｎｂｅｊｕｄｇｅｄｔｈａｔｔｈｅｑｕａｓｉ￣ｄｉｓｓｏｃｉａｔｉｏｎｆｒａｃｔｕｒｅｉｓｔｈｅｍａｉｎｆｒａｃｔｕｒｅｍｅｃｈａｎｉｓｍ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｎｉｃｋｅｌ￣ｂａｓｅｄｓｉｎｇｌｅｃｒｙｓｔａｌｓｕｐｅｒａｌｌｏｙꎻｌｏｗｃｙｃｌｅｆａｔｉｇｕｅꎻｆａｔｉｇｕｅｌｉｆｅꎻｆｒａｃｔｕｒｅｍｅｃｈａｎｉｓｍ㊀㊀ＤＤ４１９镍基单晶高温合金相较于其他高温合金ꎬ具有高温强度高㊁综合力学性能好㊁铸造工艺性能良好等优势ꎬ广泛应用在航空发动机的涡轮叶片中[１]ꎮ与国外的ＣＭＳＸ￣４高温合金相比ꎬＤＤ４１９合金在拉伸性能㊁蠕变性能㊁抗氧化性能㊁耐热和耐腐蚀等方面的表现基本相近[２－３]ꎬ且其含铼元素少㊁制备成本低㊁使用范围更广ꎮ疲劳是高温合金最主要的失效形式ꎬ低周疲劳损伤又是涡轮叶片材料的主要失效形式之一ꎮ为确保构件服役过程中的安全与稳定ꎬ很多学者研究了高温合金材料的疲劳性能ꎮＦａｎ等[４]研究了镍基单晶高温合金ＤＤ１０分别在温度为７６０ħ和９８０ħ下不同应变幅的低周疲劳行为ꎬ结果表明:在高应变范围内ꎬ由于塑性变形ꎬ合金在７６０ħ时更容易萌生裂纹ꎻ在低应变范围内ꎬ９８０ħ时断口会出现明显的氧化损伤ꎬ加速了裂纹萌生ꎮＣｈａｒｌｅｓ等[５]研究了ＣＭＳＸ￣４合金低周疲劳过程中位错结构的变化ꎬ得出位错形态在低应力下类似于蠕变㊁高应力下与拉伸断裂类似的结论ꎮＤＤ４１９合金常作为燃气轮机涡轮叶片材料ꎬ其工作温度通常能达到９８０ħꎮ因此ꎬ本文研究ＤＤ４１９合金在９８０ħ下的低周疲劳断裂行为ꎬ并从理论上分析应变－寿命关系㊁循环应力响应行为及疲劳裂纹的产生与扩展行为之间的关系ꎬ以期获得关于该合金低周疲劳行为较为完整的认识ꎮ１㊀试验部分１.１㊀试样的制备试验选用含Ｒｅ第二代镍基单晶高温合金ꎬ其成分含量见表１ꎮ首先ꎬ用真空感应炉(ＶＩＤＰ￣２５型ꎬ沈阳真空技术研究所有限公司)冶炼试验合金的母合金ꎬ并在真空条件下浇铸形成母合金铸锭ꎬ采用螺旋选晶法ꎬ在工业用大型双区域加热真空高梯度单晶炉(ＺＧＤ￣２型ꎬ锦州航星真空设备有限公司)中制备具有<００１>取向的单晶棒材ꎻ然后ꎬ用热电偶温度计测量箱式热电阻炉(ＣＷＦ型ꎬ德国ＣＡＲＢＯＬＩＴＥＧＥＲＯ公司)的温度ꎬ测温结果满足ʃ５ħ的误差范围内再对单晶棒材进行热处理操作ꎻ之后ꎬ进行固溶处理(温度１２８０~１３００ħꎬ时间为９ｈꎬ空冷)ꎻ最后ꎬ进行两级时效处理(温度１１１０~１１５０ħꎬ时间４ｈꎬ空冷ꎻ温度８７０ħꎬ时间１４ｈꎬ空冷)ꎮ经完全热处理之后ꎬ将单晶棒材试样加工成如图１所示的尺寸ꎮ图１㊀单晶棒材试样尺寸表１㊀ＤＤ４１９合金成分含量(质量分数)％ＣｒＣｏＷＭｏＲｅＡｌＴｉＴａＨｆＮｉ６.８０９.３０６.５０１.００３.００５.８０１.１０６.５００.０９余量１.２㊀试验方法低周疲劳试验在电液伺服疲劳试验机(１００ｋＮ￣８型ꎬＭＴＳ系统公司)上进行ꎬ试验温度为９８０ħꎬ试验数据采集(按照对数采集)与处理全部在计算机上进行ꎮ具体试验条件见表２ꎮ表２㊀高温低周疲劳试验条件试验温度/ħ试验波形应变比应变速率/ｓ－１加载频率/Ｈｚ介质控制方式９８０三角波０.０５０.００６０.１５~０.３空气恒定应变㊀㊀ＤＤ４１９合金试样在低周疲劳试验后ꎬ采用线切割切下约２~３ｍｍ的断口试样ꎬ切割时尽量避０７沈㊀阳㊀理㊀工㊀大㊀学㊀学㊀报㊀㊀第４２卷免破坏或污染切割部位ꎮ切割结束后将断口试样置于盛有丙酮溶液的烧杯中ꎬ并用超声波仪器清洗ꎬ冲洗完毕后烘干ꎬ得到清洁干净的断口试样ꎮ随后ꎬ采用扫描电子显微镜(Ｓ￣３４００Ｎ型ꎬ日立公司)观察断口的宏观和微观形貌ꎮ２㊀结果与讨论２.１㊀应变－寿命行为测得ＤＤ４１９高温合金在９８０ħ下的弹性应变幅(Δεｅ/２)㊁塑性应变幅(Δεｐ/２)和总应变幅(Δεｔ/２)与疲劳寿命(２Ｎｆ)之间的关系ꎬ在双对数坐标系下绘制关系曲线ꎬ如图２所示ꎮ图２㊀应变－疲劳寿命关系曲线㊀㊀塑性应变幅值和弹性应变幅值的交点称为过渡寿命ꎬ图２中两条曲线无交点ꎬ故ＤＤ４１９合金低周疲劳过程中不存在过渡寿命ꎮ由图２可见ꎬ弹性应变幅远远大于塑性应变幅ꎬ这一特点与多数高强度镍基高温合金相似ꎮ因此ꎬ在低周疲劳区间ꎬ弹性应变在变形中占主导地位ꎬ材料疲劳寿命的长短主要取决于强度ꎮ文献[６]指出ꎬ多数钴基合金由于塑性较好ꎬ在断裂过程中塑性往往起主要作用ꎮ对于恒定应变幅控制下的应变－寿命曲线ꎬ可用Ｍａｎｓｏｎ￣Ｃｏｆｆｉｎ[７]寿命模型来表达ꎬ公式为Δεｔ２＝Δεｅ２＋Δεｐ２＝σｆᶄＥ(２Ｎｆ)ｂ＋εｆᶄ(２Ｎｆ)ｃ(１)式中:σｆᶄ为疲劳强度系数ꎻｂ为疲劳强度指数ꎻεｆᶄ为疲劳延性系数ꎻｃ为疲劳延性指数ꎻＥ为弹性模量ꎮ将应变比为０.０５的ＤＤ４１９低周疲劳数据进行拟合ꎬ得到与疲劳相关的系数ꎬ代入式(１)可得Δεｔ２＝０.０５８９(２Ｎｆ)－０.６１７３＋０.０２３３(２Ｎｆ)－０.１７８４(２)根据式(２)并利用线性回归分析方法即可确定ＤＤ４１９镍基单晶高温合金在９８０ħ下的低周疲劳参数σｆᶄ㊁εｆᶄ㊁ｂ㊁ｃꎬ如表３所示ꎮ表３㊀ＤＤ４１９合金疲劳参数试验温度/ħσｆᶄ/ＭＰａεｆᶄｂｃＫᶄ/ＭＰａｎᶄＥ/ＧＰａ９８０２０４９０.０５８９－０.１７８４－０.６１７３３９０７０.２６９１８８２.２㊀循环应力－应变关系材料的循环应力－应变曲线能较好地体现低周疲劳条件下材料的实际应力和应变特征ꎮＤＤ４１９高温合金循环应力－应变关系曲线如图３所示ꎮ图３中曲线由半寿命附近的滞回曲线获得ꎬ详见文献[８]ꎬ可采用下式描述Δσ２＝Ｋᶄ(Δεｐ２)ｎᶄ(３)式中:Δσ/２为应力幅ꎻＫᶄ为循环强度系数ꎻｎᶄ为循环应变硬化指数ꎮ通过对图３中的试验数据进行非线性拟合ꎬ即可确定Ｋᶄ与ｎᶄ值(见表３)ꎮ图３㊀循环应力－应变关系曲线２.３㊀循环应力响应行为循环应力响应行为主要包括循环硬化㊁循环１７第４期㊀㊀㊀祝㊀祥等:ＤＤ４１９镍基单晶高温合金９８０ħ下低周疲劳行为研究稳定和循环软化三个阶段ꎮ在恒定应变控制的低周疲劳循环中ꎬ随着加载周次增加ꎬ应力逐渐上升是循环硬化ꎬ反之为循环软化ꎮ循环硬化和软化现象与材料的位错运动有关[９]ꎬ循环硬化可导致材料性能下降甚至失效ꎬ循环软化常伴随着循环应力水平的快速下降ꎬ通常出现在已经充满了位错缠结和阻碍的冷加工合金中ꎮ循环应力响应曲线反映了双对数坐标下应力幅与循环周次的关系ꎬＤＤ４１９高温合金在９８０ħ下循环应力响应曲线如图４所示ꎮ图４㊀ＤＤ４１９在９８０ħ下循环应力响应曲线㊀㊀从图４中可看出ꎬＤＤ４１９合金的循环应力响应行为与应变幅的大小密切相关ꎬ随着总应变幅值的不断增加ꎬ合金所受应力幅值亦逐渐增大ꎬ且疲劳寿命随循环周次减小而缩短ꎮ当应变幅为０.３％时ꎬ合金在循环过程中的应力响应行为呈现先循环软化㊁再过渡到循环稳定阶段ꎬ随后出现短暂硬化阶段ꎬ最后过渡到循环稳定阶段ꎬ直至突然断裂ꎻ当应变幅为０.４％时ꎬ合金循环应力响应行为的整体趋势与总应变幅为０.３％时相近ꎬ不同之处在于总应变幅为０.４％时ꎬ合金循环稳定阶段的疲劳周次要少ꎬ且循环软化行为更加明显ꎻ当总应变幅为０.５％时ꎬ合金首先显示出循环硬化ꎬ继而转入循环稳定过程ꎬ最后萌生出裂纹ꎬ并发生突然断裂ꎻ在总应变幅达到０.６％㊁０.７％时ꎬ由于循环周次不断上升ꎬ合金的循环应力响应行为也趋于稳定ꎬ但在疲劳过程的中期ꎬ合金的循环应力响应曲线由循环硬化过渡到循环软化ꎬ而疲劳过程后期ꎬ循环应力响应曲线又呈现了迅速下降的态势ꎬ随之在很短的疲劳周次中出现了突然断裂ꎮ２.４㊀断口形貌分析镍基高温合金疲劳断口的一个典型特征是有多个疲劳源区[１０]ꎮ图５为总应变幅分别为０.３％㊁０.５％㊁０.６％下断口的宏观形貌ꎮ图５㊀不同应变幅下疲劳断口的宏观形貌㊀㊀宏观上看ꎬ高温合金的疲劳断口形貌一般都比较粗糙ꎬ断口颜色呈青蓝色ꎮ疲劳裂纹主要萌生于试样边缘及附近ꎬ且有多个疲劳源ꎮ从图５中可见ꎬ随着总应变幅的增加ꎬ断口边缘及表面出现的疲劳裂纹也逐渐变多ꎬ导致疲劳断裂拓展速率加快ꎬ疲劳寿命降低ꎮ另外ꎬ疲劳断口区域主要由疲劳源㊁疲劳扩展区和瞬断区三部分组成[１１－１２]ꎬ图中Ａ㊁Ｂ㊁Ｃ分别代表疲劳源区㊁疲劳扩展区和瞬断区ꎬ三个区域具有明显的特征ꎮ随着总应变幅的增大ꎬ断口中三个部分的面积也发生２７沈㊀阳㊀理㊀工㊀大㊀学㊀学㊀报㊀㊀第４２卷了变化ꎬ其中瞬断区面积变化最大ꎬ在整个断口区域所占比重越来越大ꎻ随着低周疲劳测试过程中总应变幅的增加ꎬ合金在低周疲劳过程中承受的外加载荷逐渐增大ꎬ从而导致ＤＤ４１９合金低周疲劳断口中瞬断区的面积逐渐增大ꎮ图６为不同应变幅下疲劳断口的微观形貌ꎮ对于同一合金ꎬ在低周疲劳试验过程中ꎬ随着应变幅值的增大ꎬ疲劳源区域的光滑度降低ꎬ平坦的小平面也减少ꎬ使得疲劳源区域表面逐渐变得粗糙ꎻ这是由于伴随应变幅值的增加ꎬ微观中滑移带或位错结构与合金中的强化粒子γᶄ相的交互作用加剧ꎬ导致强化粒子γᶄ相失去其有序结构ꎬ降图６㊀不同应变幅下疲劳断口的微观形貌低了γᶄ相对合金基体γ相的强化作用ꎬ从而导致合金的抗疲劳变形能力下降ꎬ合金的循环疲劳周次逐渐减少[１３]ꎮ因此ꎬ疲劳过程中疲劳源区的断面所经受的持续摩擦和挤压的次数也在减少ꎬ表面的光滑程度也逐渐降低ꎮ在低应变幅下ꎬ疲劳扩展区断口处存在明显的裂纹ꎬ并沿晶面拓展ꎬ如图６(ａ)所示ꎻ断口表面存在许多短小的裂纹ꎬ局部区域存在撕裂棱和准解理台阶的特征ꎬ扩展区还出现不明显的疲劳辉纹ꎬ可能是氧化腐蚀较严重导致ꎬ如图６(ｂ)所示ꎻ部分区域还存在很多深浅不一的韧窝和孔洞ꎬ如图６(ｃ)所示ꎮ瞬断区断口处有明显的金属滑移痕迹ꎬ并出现了准解理台阶ꎬ因此可判断合金的断裂机制为准解理断裂ꎮ文献[１４－１５]指出ꎬ随温度的上升ꎬ更容易发生位错的交滑移和攀移ꎬ在不动位错累积到一定水平时ꎬ就会出现准解理断裂ꎮ３㊀结论本文研究了ＤＤ４１９镍基单晶高温合金在９８０ħ下的低周疲劳行为ꎬ得到如下结论ꎮ１)根据Ｍａｎｓｏｎ￣Ｃｏｆｆｉｎ寿命模型ꎬＤＤ４１９疲劳断裂过程中弹性变形起主要作用ꎮ２)９８０ħ下ꎬ由于位错的往复运动和交互作用ꎬＤＤ４１９镍基单晶高温合金的循环应力响应行为在０.３％㊁０.４％应变幅下表现为先循环软化ꎬ后由循环硬化过渡到循环稳定阶段ꎬ最后突然断裂ꎻ在０.５％应变幅下首先出现循环硬化ꎬ继而转入到循环稳定阶段ꎬ最后断裂ꎻ０.６％㊁０.７％应变幅下表现为先稳定阶段ꎬ后循环硬化又过渡到循环软化ꎬ最后逐渐稳定ꎬ直至突然断裂ꎮ３)ＤＤ４１９镍基单晶高温合金在９８０ħ低周疲劳断裂特征表现为明显的多裂纹源性ꎬ随着应变幅的降低ꎬ裂纹数目也逐渐减少ꎬ疲劳寿命随之增加ꎮ在０.３％㊁０.５％㊁０.６％应变幅下ꎬ裂纹萌生于试样表面位置ꎬ出现准解理台阶ꎬ因此判断合金的断裂机制为准解理断裂ꎮ参考文献:[１]史振学ꎬ胡颖涛ꎬ刘世忠.不同温度下镍基单晶高温合金的低周疲劳性能[Ｊ].机械工程材料ꎬ２０２１ꎬ４５３７第４期㊀㊀㊀祝㊀祥等:ＤＤ４１９镍基单晶高温合金９８０ħ下低周疲劳行为研究(３):１６－２０ꎬ２８.[２]赵运兴ꎬ员莹莹ꎬ马德新ꎬ等.高温合金ＣＭＳＸ￣４和ＤＤ４１９单晶铸件中共晶含量的试验研究[Ｊ].航空制造技术ꎬ２０２２ꎬ６５(１７):７４－８０.[３]李寒松ꎬ孙士江ꎬ刁爱民ꎬ等.热等静压对ＤＤ４１９单晶高温合金组织与持久性能的影响[Ｊ].铸造ꎬ２０２１ꎬ７０(５):５５４－５５９.[４]ＦＡＮＺＤꎬＷＡＮＧＤꎬＬＯＵＬＨ.Ｃｏｒｐｏｒａｔｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｓｔｒａｉｎｒａｎｇｅｏｎｔｈｅｌｏｗｃｙｃｌｅｆａｔｉｇｕｅｌｉｆｅｏｆａｓｉｎｇｌｅ￣ｃｒｙｓｔａｌｓｕｐｅｒａｌｌｏｙＤＤ１０[Ｊ].ＡｃｔａＭｅｔ￣ａｌｌｕｒｇｉｃａＳｉｎｉｃａ(ＥｎｇｌｉｓｈＬｅｔｔｅｒｓ)ꎬ２０１５ꎬ２８(２):１５２－１５８.[５]ＣＨＡＲＬＥＳＣＭꎬＤＲＥＷＧＡꎬＢＡＧＮＡＬＬＳꎬｅｔａｌ.Ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍｓｄｕｒｉｎｇｆａｔｉｇｕｅｏｆｔｈｅｎｉｃｋｅｌ￣ｂａｓｅｄｓｕｐｅｒａｌｌｏｙＣＭＳＸ￣４[Ｊ].ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅＦｏｒｕｍꎬ２００７ꎬ６２:５４６－５４９.[６]储昭贶ꎬ于金江ꎬ孙晓峰ꎬ等.ＤＺ９５１合金的持久性能与断裂行为[Ｊ].稀有金属材料与工程ꎬ２００９ꎬ３８(５):８３４－８３７.[７]张罡ꎬ龙占云ꎬ赵凯ꎬ等.ＷＦＧ３６Ｚ钢焊接接头低周疲劳性能与寿命的试验研究[Ｊ].沈阳工业学院学报ꎬ１９９４(２):７－１２.[８]刘雪莹ꎬ陈立佳ꎬ周舸ꎬ等.应变波形对Ｉｎｃｏｎｅｌ６２５合金低周疲劳性能的影响[Ｊ].稀有金属材料与工程ꎬ２０２１ꎬ５０(４):１２６３－１２６９.[９]水丽.应变幅对一种新型镍基单晶高温合金高温低周疲劳性能的影响[Ｊ].机械工程材料ꎬ２０２２ꎬ４６(６):３１－３５ꎬ４３.[１０]刘柳.一种镍基单晶高温合金低周疲劳行为的研究[Ｄ].沈阳:东北大学ꎬ２０１６.[１１]ＳＨＵＩＬꎬＬＩＵＰ.Ｌｏｗ￣ｃｙｃｌｅｆａｔｉｇｕｅｂｅｈａｖｉｏｒｏｆａｎｉｃｋｅｌｂａｓｅｓｉｎｇｌｅｃｒｙｓｔａｌｓｕｐｅｒａｌｌｏｙａｔｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ[Ｊ].ＲａｒｅＭｅｔａｌＭａｔｅｒｉａｌｓａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ２０１５ꎬ４４(２):２８８－２９２.[１２]闫鹏ꎬ冯寅楠ꎬ乔双ꎬ等.镍基变形高温合金低周疲劳研究进展[Ｊ].稀有金属ꎬ２０２１ꎬ４５(６):７４０－７４８. [１３]张敏.一种镍基单晶高温合金蠕变损伤行为研究[Ｄ].沈阳:沈阳工业大学ꎬ２０２２.[１４]朱强.ＧＨ４６９８镍基合金高温低周疲劳行为及断裂机理[Ｄ].哈尔滨:哈尔滨工业大学ꎬ２０１６.[１５]孙超.Ｎ１８合金低周疲劳行为研究[Ｄ].成都:西华大学ꎬ２００６.(责任编辑:徐淑姣)(上接第６８页)[２６]刘铠铭ꎬ姜秀榕ꎬ林昕ꎬ等.羧甲基壳聚糖对Ｃｒ(Ⅵ)吸附性能及吸附热力学㊁动力学研究[Ｊ].离子交换与吸附ꎬ２０２１ꎬ３７(３):２３４－２４３.[２７]ＪＵＳＧꎬＸＵＥＦꎬＱＩＡＮＪＹꎬｅｔａｌ.ＳｙｎｔｈｅｓｉｓｏｆＧａ３＋ｄｏｐｅｄｌｉｔｈｉｕｍｍａｎｇａｎｅｓｅｉｏｎｓｉｅｖｅｆｏｒＬｉ＋ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎａｎｄｉｔｓａｄｓｏｒｐｔｉｏｎｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃｂｅｈａｖｉｏｒ[Ｊ].Ｓｅｐａｒａ￣ｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０２２ꎬ５７(１８):２９２３－２９３６. [２８]ＫＡＬＡＩＴＺＩＤＯＵＫꎬＺＯＵＢＯＵＬＩＳＡꎬＭＩＴＲＡＫＡＳＭ.Ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃｓｔｕｄｙｏｆｐｈｏｓｐｈａｔｅａｄｓｏｒｐｔｉｏｎａｎｄｒｅ￣ｍｏｖａｌｆｒｏｍｗａｔｅｒｕｓｉｎｇｉｒｏｎｏｘｙｈｙｄｒｏｘｉｄｅｓ[Ｊ].Ｗａ￣ｔｅｒꎬ２０２２ꎬ１４(７):１１６３.(责任编辑:宋颖韬)４７沈㊀阳㊀理㊀工㊀大㊀学㊀学㊀报㊀㊀第４２卷。

镍基单晶高温合金凝固缺陷研究进展

ａｓｓｆｒｔｅｅｔ，ｔｎｆｕｎｃｆａｌｏｎｉｍｏｈｅｄｆｃｓｈｅｉｌｅｅｏｌｏｙｃｍｐｏｉｉｎ，ｐｒｃｓｉｒｍｅｅｓａａｔｎｔｕｃｕｒｓｔｏｏｅｓｎｇｐａａｔｒｎｄｃｓｉｇｓｒｔｅｏｎｔａｔｎｅｅｔｓａａｙｅ．Ｍｅｎｗｈｉｅｈｅｓｇｅｔｏｎｓｆｅｕｃｎｇｃｓｉｇｄｆｃｓａｅｐｏｎｔｄｈｅｃｓｉｇｄｆｃｓｉｎｌｚｄａｌ，ｔｕｇｓｉｏｒｒｄｉａｔｎｅｅｔｒｉｅ
赵新宝，。刘
林杨初斌张，，
军。李玉龙傅恒志，，
（１西北工业大学航空学院，西安７０７；１０２２西北工业大学凝固技术国家重点实验室，安７０７）西１０２
ＺＨＡＯｎ— ａ，ＵｎＹＡＮＧＸｉｂｏＬＩＬｉ，Ｃｈｕｂｎ — ｉ，
ｃｓ．Ｓｍｅｉｏｔｎａｔｇｄｆｃｓｆｒｅｎｔｅｄｒｃｉｎ１ｓｌｉｃｔｏｒｃｓｒｉｃｓｅｏｔｏｍｐｒａｔｃｓｉｅｅｔｏｍｄｉｈｉｅｔｏａｏｉｆａｉｎｐｏｅｓａｅｄｓｕｓｄ。ｉ — ｎｄｉｎｃｕｉｇｐｒｓｔｆｅｋｅ，ｍｉｏｉｎａｉｎａｄｓｒｙｇａｎ．Ｂａｅｎｔｅｆａｕｅｎｏｍａｉｎｍｅｈｌｄｎｏｏｉｙ，ｒｃｌｓｓｒｅｔｔｏｎｔａｒｉｓｓｄｏｈｅｔｒｓａｄｆｒｔｃ — ｏ

镍基单晶高温合金高温低应力蠕变过程中典型变形机制研究进展

镍基单晶高温合金高温低应力蠕变过程中典型变形机制研究进展杜云玲;牛建平【摘要】以镍基单晶高温合金高温低应力蠕变变形为主，简要介绍了蠕变过程中几个典型变形机制的研究进展，并分析合金蠕变过程研究中存在的问题。

%Giving priority to the deformation of high-temperature low-stress creep of Ni-based single crystal superalloys,several related typical deformation mechanisms were reviewed and the existing problems during creep were analyzed.【期刊名称】《沈阳大学学报》【年(卷),期】2016(028)006【总页数】7页(P431-437)【关键词】镍基单晶高温合金;高温低应力蠕变;筏化;位错;TCP相【作者】杜云玲;牛建平【作者单位】沈阳大学机械工程学院，辽宁沈阳 110044;沈阳大学机械工程学院，辽宁沈阳 110044【正文语种】中文【中图分类】TG146镍基高温合金(Ni-based Superalloys)由于具有优异的蠕变和疲劳抗力、良好的塑性和断裂韧性、良好的抗氧化和抗热腐蚀性,以及高温组织稳定性,广泛用于制作涡轮发动机等先进动力推进系统热端部件[1-4].高性能发动机的重要标志是具有高的推力和推重比,而要实现这些指标就需要不断地提高涡轮前进气口的温度,最大程度地提高燃机的效率.实现这一目标的关键在于持续提高发动机相应高温合金部件的承温能力,尤其是高压涡轮叶片和低压涡轮叶片的承温能力[4].在实际服役过程中,涡轮叶片处于高温、高应力等复杂恶劣的环境中,尤其是高压涡轮叶片承受着更高的温度和由于高速旋转造成的高离心应力.在这些外部条件的共同作用下,即使合金所受的应力水平远低于其屈服强度,叶片也会发生蠕变塑性累积,最终导致叶片断裂失效,因此蠕变行为是评价合金可靠性最重要的方面.航空发动机涡轮叶片在实际服役过程中各部位所受的温度和应力分布如图1和图2所示[5].从图1可以看出,尽管涡轮叶片已经拥有复杂高效的冷却通道以及热障涂层,涡轮叶片的大部分位置仍将面临较高的温度,而图2则显示,叶片经受高温的部分所受的应力相对较低(相对于低温部分).为此,各国研究者对镍基单晶高温合金的高温低应力蠕变行为进行了广泛的研究.本文以镍基单晶高温合金的高温低应力蠕变行为为主线,主要从蠕变过程中几个典型的现象出发,简要介绍单晶合金的蠕变行为研究进展. 蠕变是指试验材料在低于屈服极限的恒定应力(载荷)下发生持续塑性变形的累积,它具有一定的时间依赖性.涡轮叶片在实际服役时,大部分时间处于巡航状态,因此合金的变形以蠕变塑性累积为主.合金的蠕变性能与合金晶体的取向息息相关.一般而言,具有〈111〉取向的合金蠕变性能最高,〈011〉最低,而具有〈001〉方向的合金蠕变寿命与〈111〉相当或稍低;然而,具有〈001〉方向合金的疲劳性能显著优于具有〈111〉和〈011〉方向的合金,所以涡轮叶片在设计和实际使用过程中都尽可能使其受力沿[001] 方向,因而研究[001]取向的镍基单晶高温合金具有非常重要的实际意义.镍基单晶高温合金在高温低应力条件下的蠕变机制主要有以下几个方面.(1) 在高温、错配内应力和外加应力的综合作用下,γ/γ′两相结构发生的筏化(Rafting)现象;(2) 蠕变过程中界面位错网格的形成及其作用;(3) 位错切割γ′相的形式及其对合金蠕变行为的影响;(4) 拓扑密排(Topologically Closed Packed,TCP)相的析出.以上提到的这几种变形机制基本上构成了单晶高温合金的整个蠕变过程.1.1 镍基单晶高温合金蠕变过程中的筏化现象筏化现象是镍基单晶高温合金高温低应力蠕变过程中最为常见的现象.γ′相形筏源于应力梯度导致的合金元素定向扩散,即在应力梯度作用下,γ′相形成元素Al、Ti、Ta等和γ相形成元素Cr、Mo等沿相反方向扩散,致使γ′相沿特定方向生长并互相连接,最终导致γ′相形筏.因为γ′相形筏过程主要受固相扩散控制,故其形筏动力学呈非线性特征[6].Tien等[7]首先研究了[001]取向的镍基单晶高温合金外加应力方向与筏化方向的关系,发现γ′形筏不仅能改变γ′形貌,而且能显著影响γ/γ′界面位错网形成及合金元素在该界面的分布,故对合金力学性能具有重要影响.随后Fredholm 等[8]总结前人的观察结果后认为,对于[001]取向的镍基单晶高温合金,根据γ′相的筏状特征可将筏化现象主要分为筏化方向与外加应力垂直的N-型筏化,以及筏化方向与外加应力平行的P-型筏化.Pollock等[9]进一步研究了镍基单晶高温合金蠕变过程中的筏化现象,认为γ/γ′两相之间弹性应力场(错配度)对合金的筏化方向有决定作用,错配度为负值时,在拉伸条件下γ′相发生N-型筏化,在压缩条件下γ′相发生P-型筏化;而当错配度为正值时,情形刚好相反.研究表明,合金的错配度随着温度的变化而变化,也就是说合金在蠕变时发生的筏化类型与蠕变温度下的错配度的值和外加应力方向息息相关.Murakumo等[10]在研究γ′相体积分数不同的TMS-75镍基单晶高温合金的蠕变行为时发现,体积分数为80%的合金在蠕变断裂后,γ′相筏化方向与以上结论完全相反,认为此现象源于γ和γ′两相基体与析出相角色的互换,换句话说,在γ′析出相体积分数为80%时,其在合金中为“基体”,而体积分数为20%的γ相为“析出相”,从这个观点上看蠕变后的结果与先前的结论仍然一致.Nathal等[11]在研究CMSX-4合金高温蠕变性能时指出,γ′相形筏改变了γ与γ′相连接方式,使γ基体由包围着γ′变为镶嵌在γ′中,即发生拓扑倒置现象(Topological inversion),从而失去变形能力而易于断裂,故γ′相形筏不程度地降低合金蠕变强度.尽管蠕变中后期形成的筏型组织封闭了位错运动的横向通道,增加蠕变抗力,但形筏毕竟是γ′相粗化的结果,所以大多情况下对合金蠕变性能具有不利影响.筏化结构的出现对单晶高温合金来说难以避免,理论上错配度δ(通常定义δ=2(aγ ′-aγ)/(aγ ′+aγ),其中aγ和aγ ′分别为γ和γ′相的晶格常数)越接近于0,合金的两相结构越稳定,筏化过程越慢.如前所述,合金的错配度随温度的变化而变化,因此在实际设计时应尽量使合金高温时的错配度接近于零,从而延缓镍基单晶高温合金在高温时的筏化速率,提高合金的蠕变寿命.1.2 镍基单晶高温合金蠕变过程中位错的运动在镍基单晶高温合金的蠕变初期阶段,大量不同滑移系的a/2〈101〉{111}位错启动,领先的螺位错段在水平基体通道内不同的{111}平面发生交滑移,并在γ/γ′两相界面留下60°混合位错[12-13].由于在蠕变之初γ基体内位错的数量很少,因此大量的位错可以在基体内快速的萌生和增殖,在宏观蠕变曲线上表现为具有较高的蠕变速率,塑性应变累积迅速增加.Zhang等[13]认为,虽然60°位错的位错线方向主要沿〈110〉方向,并不是最佳的〈100〉错配方向,但这些界面位错仍然能够部分释放错配应力;随着蠕变的进行(蠕变初期阶段的末期),γ基体内的位错密度迅速增加,位错开始在γ/γ′界面塞积,位错的运动逐渐变得困难,蠕变曲线上表现为应变速率迅速降低,基体中不同滑移系的界面位错在温度、外加应力、错配应力以及位错之间应力场的相互作用下开始发生反应,形成界面位错网格[12-17].Lasalmonie等[14]利用透射电镜较早地研究了界面位错的性质,认为界面位错网格中的位错都具有刃型位错的特征,同时认为这些位错都源自于基体中的a/2〈101〉位错环(Dislocation loop).Lahrman和Field等[15]使用汇聚束电子衍射和X射线衍射重新研究了界面位错的性质,随后Field等[17]认为界面位错网格不可能源于基体中的位错环,界面位错网格的形成不需要位错长程攀移或者Orowan绕过,并提出了一种新的位错网格形成模型,即基体不同滑移系位错相互反应机制,如图3所示[17].这一模型比较合理的解释了实验中所观察到的处于演化过程中和蠕变断裂后的位错网格形态,因此被广泛接受.大部分研究者认为界面位错网格的密集程度与γ/γ′两相界面的错配度有关,错配度越大,位错网格越密集,因为密集的界面位错网格可以有效地释放错配应力.Zhang等[18]首先提出致密位错网格可以有效阻碍基体位错切入γ′析出相,延长稳态蠕变阶段,Harada课题组根据这一理论设计出一系列的镍基单晶高温合金,将位错网格从理论研究推向实际应用.但是需要指出的是,形成致密位错网格需要合金具有较负的错配度,而错配度绝对值越大合金筏化进程越快,因此如何协调延缓筏化过程,同时使合金具有致密的位错网格仍需要进一步研究. 1.3 超位错切割γ′析出相的方式成对的a/2〈101〉位错夹着反相畴界(Anti-phase domain boundary,APB)(称之为a〈101〉超位错)切割γ′析出相是镍基单晶高温合金高温低应力蠕变条件下最为常见的一种切割方式.这种位错一般认为是由相同{111}滑移面上柏氏矢量相同的两根a/2〈101〉位错在γ/γ′界面结合而成,如图4所示[19].当切入γ′析出相时,两根a/2〈101〉位错之间会产生一定的间距,这一间距取决于合金γ′析出相中的APB 能,一般情况下由于γ′析出相的APB能很高,所以两根a/2〈101〉位错之间的间距很小.实际上由于界面位错网格的阻碍作用和高的APB能,在合金的稳态蠕变过程中,与基体位错数量相比,切入γ′析出相的a〈101〉超位错数量很少,因此合金在稳态蠕变阶段的塑性应变累积并不显著.在合金蠕变变形的第三阶段,由于蠕变试样发生颈缩,合金所受的应力显著增加,在这一条件下相当数量的a〈101〉超位错切入γ′析出相,大大加速合金的塑性变形.虽然这种切割方式最为常见,但这种类型的位错在蠕变过程中所起的作用仍然并不清楚.镍基单晶高温合金在高温低应力蠕变过程中另一种重要的位错是a〈010〉超位错.该位错由Louchet等[20]在研究CMSX-4单晶高温合金的高温低应力蠕变时首先观察到,但是并没有将其与蠕变塑性变形联系起来;Eggeler等[21]利用透射电镜对CMSX-6单晶高温合金中a〈010〉超位错的类型及其形成过程进行了分析,认为这种类型的超位错是由两个柏氏矢量不同的a/2〈011〉基体位错在γ/γ′两相界面相遇并反应而形成的,在切入γ′析出相后由于其位于{001}面上,所以难以运动,只能以滑移和攀移相结合的方式运动,但他们并没有对位错核心进行深入分析;随后Dlouhy等[22]对蠕变过程产生的a〈010〉超位错进行了计算模拟,证实了Eggeler等的结论,但是依然没能说明位错核心是否致密;接着Srinivasan等[23]使用高分辨电镜(High resolution transmission electron microscope,HRTEM)证明a〈010〉超位错的位错核心并不致密,而是由两个不同柏氏矢量的分位错所组成,它们通过滑移和攀移两种过程的复合在γ′析出相中缓慢运动,其中攀移控制着合金的蠕变速率,并认为这一切割机制与稳态蠕变过程中合金可以保持较低的蠕变速率有关.实际上在很多单晶高温合金中都观察到了这种类型的超位错,如CMSX-4[20,23]、CMSX-6[21]和TMS-138[24]等,因此认为这种切割机制是一种基本的切割机制.以上两种类型的超位错切割γ′相是镍基单晶高温合金高温低应力蠕变时最基本的切割机制,对合金的塑性应变累积以及稳态蠕变速率均有重要影响.然而,到目前为止,超位错切割γ′析出相与合金蠕变性能退化之间的定量关系仍未建立.实际上,由于温度和应力的综合作用,镍基单晶高温合金中切割γ′相的位错类型可能不止以上两种类型,而位错之间的反应也不仅限于形成位错网格.因此,这一方面的研究工作仍然是今后研究的重点.1.4 TCP相的析出由于镍基单晶高温合金中含有大量的W、Cr、Mo和Re等合金元素,在高温低应力蠕变过程中,一些富含这些元素,且具有复杂晶体结构的金属间化合物会析出,这些金属间化合物一般称之为拓扑密排相(TCP相,如σ、μ、P和R相等)[25-27].TCP 相的晶体结构中只存在四面体间隙,原子高度密排,并且只允许配位数为12、14、15及16的四种Ksaper多面体存在,其化学式一般为AxBy,且A和B元素均为过渡族金属元素.常见TCP相的晶体学参数如表1所示[25].镍基单晶高温合金在高温蠕变的过程中,如果合金中的Cr、Mo、Re含量较高,就有析出σ相的趋势,且在第三、四代镍基单晶合金中析出的σ相通常具有较高含量的Re.σ相一般呈针片状析出,硬而脆.σ相的析出一方面削弱难熔元素的固溶强化效果,另一方面破坏γ/γ′两相组织的连续性,同时成为裂纹萌生的主要位置,导致合金的塑性和寿命降低,因此通常被认为是有害相.μ相一般呈针状、棒状、片状或颗粒状析出,通常认为W和Mo是μ相形成的决定性元素,在μ相中占有较大的比例.由于形貌及数量的差异,μ相对合金力学性能的影响也不尽相同[28].P相与σ相的晶体结构有着特殊的关系,并且化学成分也相似,所以P相与σ相经常在镍基单晶高温合金中共存,甚至可以相互转变[25].R相只有在少数镍基单晶合金的文献中提到[29],相关的信息鲜有报道.随着镍基单晶高温合金中难熔元素含量的增加,大量的TCP相在高温蠕变过程中析出,TCP相的析出消耗大量的合金元素,造成合金基体局部贫乏这些强化元素,从而降低基体合金的强度;另外,在蠕变的过程中位错难以切割TCP相,会在TCP/γ′相界面塞积,产生应力集中,造成两相界面开裂[26].因此,为了抑制TCP相的析出,Ru元素被引入高温合金体系中.近些年对TCP相的研究主要围绕Ru对TCP相析出的影响开展.Caron[30]指出,添加Ru可以提高TCP相析出的临界Md值,所以含Ru合金在长期热暴露下不易析出TCP相.Sato等[29]认为Ru增加了Re和W在γ相中的固溶度,从而降低了TCP相析出的概率;而Yeh等[26]发现添加Ru不但可以大幅度提高合金组织稳定性而且有助于合金蠕变过程中保持筏形组织的连续性;虽然在含Ru 合金中会出现TCP相,但数量较少,并且TCP相的生长也受到了很大的限制,相比于无Ru合金,含Ru合金的力学性能显著提高.目前,虽然众多研究者对Ru抑制TCP相的析出行为进行了广泛的研究,但是Ru的具体作用机理仍不清楚.例如,Ru的添加抑制TCP相的析出是因为下列四种情况的哪一种有待证实.(1) 改变了合金强化元素在枝晶干和枝晶间的分配系数,同时降低了其他元素的扩散速率;(2) 降低了TCP相的形核率;(3) 降低了TCP相的长大速率;(4) 外加应力的影响等.TCP相在合金中形核、长大的速度很快,一般在稳态蠕变阶段初期就已经开始析出,温度越高其析出速度越快.一般认为,尺寸较小或者颗粒状的TCP相对合金的高温蠕变性能影响不大,而粗大或者针片状的TCP相由于显著降低了γ、γ′两相组织的连续性,且难以被运动的位错切割,容易成为微裂纹的发源地,从而降低合金的高温蠕变性能.TCP相的析出过程比较复杂,且各相之间往往伴随着共生现象[25].因此,需要更详细的工作来描述TCP相析出与合金高温蠕变性能之间的定量关系.镍基单晶高温合金的蠕变过程非常复杂,上述几种变形机制可能在同一个蠕变过程中同时出现、相互影响.在高温低应力蠕变的初期,基体中的位错开始运动,同时筏化结构逐渐演化形成,对基体中的位错运动起到一定的阻碍作用,从而导致大量的位错在γ/γ′界面堆积、反应,形成位错网格;位错网格的形成可以显著阻碍超位错切割筏化的γ′相,对合金保持较高的稳态蠕变阶段起到重要的作用.实际上,TCP相的析出过程从蠕变的初期就已经开始进行,随着蠕变的进行其逐渐长大,由于TCP相的析出导致γ/γ′筏化结构被隔断,同时位错难以切入TCP相,因此在TCP/γ相界面容易产生微裂纹,导致合金最终断裂失效.因此,合金蠕变是一个复杂的,各种因素变形机制相互影响的过程.镍基单晶高温合金的蠕变性能作为衡量合金使役性能最重要的方式已经得到广泛研究,对高温低应力蠕变过程中几种主要的变形机制有较为深刻的认识,并取得了重要进展.虽然本文分开叙述这几种变形机制的研究进展,但在实际的变形过程中各机制彼此相互影响、相互关联,共同组成了复杂的蠕变过程.从合金研发和应用角度来看,今后对镍基单晶高温合金高温蠕变性能的研究主要集中在以下几个方面:(1) 建立镍基单晶高温合金筏化与蠕变性能退化的关联.通过研究高温合金γ′相筏化的热力学和动力学机制,探索延缓γ′相筏化的手段,建立合金筏化程度与蠕变性能的内在关联.(2) 研究不同类型的位错在高温低应力蠕变过程中的作用.探索位错与γ′相、TCP相以及孔洞等的微观交互作用机制,为提高合金的高温蠕变性能提供理论基础. (3) 探索抑制TCP相析出的方法.TCP相的析出损害合金的力学性能,在目前研究的基础上继续探索能有效抑制TCP相,并同时提高合金高温强度的新方法.[ 1 ] 孙晓峰,金涛,周亦胄,等. 镍基单晶高温合金研究进展[J]. 中国材料进展, 2012,31(12):1-11. (SUN X F,JIN T,ZHOU Y Z,et al. Research progress of nickel-base single crystal superalloys[J]. Rare Metals Letters, 2012,31(12):1-11.)[ 2 ] 李清华,赵志力. 真空冶金现状及发展前景[J]. 沈阳大学学报, 2003,15(2):35-37. (LI Q H, ZHAO Z L. The present situation and the prospect of vaccum metallurgy[J]. Journal of Shenyang University, 2003,15(2):35-37.)[ 3 ] 牛建平. 镍基高温合金的脱氮与脱硫[J]. 沈阳大学学报, 2003,15(2):5-8. (NIUJ P. Denitrogenation and desulphurization during VIM refining Ni-base superalloy[J]. Journal of Shenyang University, 2003,15(2):5-8.)[ 4 ] REED R C. The superalloys fundamentals and applications[M]. Cambridge: Cambridge University Press, 2006.[ 5 ] DYE D, MA A, REED R C. Numerical modelling of creep deformation in a CMSX-4 single crystal superalloy turbine blade[C]. Superalloy, 2008:911-919.[ 6 ] PEARSON D D,LEMKEY F D,KEAR B H. Stress coarsening of γ′ and its influence on creep properties of a single crystal superalloy[C]. Superalloys, 1980:513-520.[ 7 ] TIEN J K,COPLY S M. The effect of orientation and sense of applied uniaxial stress on the morphology of coherent gamma prime precipitates in stress annealed nickel-ase superalloy crystal[J]. Metallurgical & Materials Transactions B, 1971,2(2):543-553.[ 8 ] FREDHOLM A,STRUDEL J L. On the creep resistance of some nickel base single crystals[C]. Superalloys, 1984:211-220.[ 9 ] POLLOCK T M,ARGON A S. Directional coarsening in nickel-base single crystals with high volume fractions of coherent precipates[J]. Acta Metallurgica et Materialia, 1994,42(6):1859-1874.【相关文献】[10] MURAKUMO T,KOBAYASHI T,KOIZUMI Y,et al. Creep behaviour of Ni-base single-crystal superalloys with various γ′ volume fraction[J]. Acta Materialia, 2004,52(12):3737-3744.[11] NATHAL M V,MACKAY R A,MINER R V. Influence of precipitate morphology on intermediate temperature creep properties of a nickel-base superalloy[J]. Metallurgical & Materials Transactions A, 1989,20(1):133-141.[12] POLLOCK T M,ARGON A S. Creep resistance of CMSX- nickel base superalloy single crystals[J]. Acta Metallurgica et Materialia, 1992,40(1):1-30.[13] ZHANG J X,HARADA H,KOIZUMI Y,et al. The effect of lattice misfit on the dislocation motion in superalloys during hight-emperature low-stress creep[J]. Acta Materialia, 2005,53(1):4623-4633.[14] LASALMONIE A,STRUDEL J L. Interfacial dislocation networks around γ′ precipitates in nickel-base alloys[J]. Philosophical Magazine A, 1975,32(32):937-949.[15] LAHRMAN D F,FIELD R D,DAROLIA R, et al. Investigation of techniques for measuring lattice mismatch in a rhenium containing nickel base superalloy[J]. Acta Metallurgica, 1988,36(5):1309-1320.[16] WANG X G,LIU J L,JIN T,et al. Dislocations motion during high-temperature low-stress creep in Ru-free and Ru-containing single-crystal superalloys[J]. Materials and Design, 2015,67:543-551.[17] FIELD R D,POLLOCK T M,MURPHY W H. The development of g/g′ interfacial dislocation networks during creep in Ni-base superalloys[C]. Superalloys, 1992:557-566.[18] ZHANG J X,MURAKUMO T,KOIZUMI Y,et al. Interfacial dislocation networks strengthening a fourth-generation single-crystal TMS-138 superalloys[J]. Metallurgical and Materials Transactions A, 2002,33(12):3741-4376.[19] ZHANG J X,MURAKUMO T,KOIZUMI Y,et al. Slip geometry of dislocations related to cutting of the γ′ phase in a new generation single-crystal superalloys[J]. Acta Materialia, 2003,51(17):5073-5081.[20] LOUCHET F,IGNAT M. TEM analysis of square-shaped dislocation configurations in the γ′ phase of a Ni-based superalloy[J]. Acta Metallurgica, 1986,34(8):1681-1685. [21] EGGELER G,DLOUHY A. On the formation of 〈010〉-dislocations in the γ′-phase of superalloy single crystals during high temperature low stress creep[J]. Acta Materialia, 1997,45(10):4251-4262.[22] DLOUHY A,SCHUBLIN R,EGGELER G. Transmission electron microscopy contrast simulations of superdislocations in the L12 ordered structure[J]. Scripta Materialia, 1998,39(9):1325-1332.[23] SRINIVASAN R,EGGELER G F. MILLS M J. γ′-cutting as rate-controlling recovery process during high-temperature and low-stress creep of superalloy single crystals[J]. Acta Materialia, 2000,48(20):4867-4878.[24] ZHANG J X,HARADA H,KOIZUMI Y. New configuration of a[001] superdislocation formed during high-temperature creep in the γ′ phase of a single-crystal superalloy TMS-138[J]. Journal of Materials Research, 2006,21(3):647-654.[25] RAE C M F,REED R C. The precipitation of topologically close-packed phases in rhenium-containing superalloys[J]. Acta Materialia, 2001,49(19):4113-4125.[26] YEH A,RAE C,TIN S,et al. High temperature creep of Ru-bearing Ni-base single crystal superalloys[C]. Superalloys, 2004:677-685.[27] HAN Y F,MA W Y,DONG Z Q,et al. Effect of ruthenium on microstructure and stress rupture properties of a single crystal nickel-base superalloy[C]. Superalloys, 2008:91-97. [28] 成魁宇. 几种含Re单晶高温合金中μ相的析出行为及其影响.[D]. 沈阳:中国科学院金属研究所, 2009. (CHENG K Y. Precipitation behavior of μ phase in several Re single crystal superalloys and its effect[D]. Shenyang: Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences, 2009.)[29] SATO A,HARADA H,YOKOKAWA T,et al. The effects of ruthenium on the phase stability of fourth generation Ni-base single crystal superalloys[J]. Scripta Materialia, 2006,54(9):1679-1684.[30] CARON P. Hi gh γ′ solvus new generation nickel-based superalloys for single crystal turbine blade applications[C]. Superalloys, 2000:737-746.。

新型镍基单晶高温合金在航空发动机中的应用前景

新型镍基单晶高温合金在航空发动机中的应用前景新型镍基单晶高温合金是近年来航空发动机材料领域的一项重要技术创新，具有很高的应用前景。

目前，航空发动机对材料的要求越来越高，长期以来使用的铸造镍基合金在高温、高压和高速等极端环境下表现出诸多局限性，限制了发动机的发展空间。

而镍基单晶高温合金作为新一代航空发动机材料，具有很高的热稳定性、抗蠕变能力和粉末粘结强度，能够满足航空发动机对高温和高加载性能的要求，具有广阔的应用前景。

首先，镍基单晶高温合金具有优越的高温性能。

在航空发动机工作温度高达1000℃以上的极端条件下，普通铸造镍基合金易发生晶粒细化与增大的现象，从而导致材料的疲劳性能下降。

而镍基单晶高温合金通过单晶制备工艺，能够避免晶粒的形变与细化，提高材料的高温强度和抗疲劳性能。

其次，镍基单晶高温合金具有较好的抗蠕变能力。

在航空发动机工作温度条件下，材料会因长时间的高温作用而发生蠕变现象，从而导致材料变形和失效。

相比之下，镍基单晶高温合金具有较低的蠕变速率和较高的持久强度，能够延长材料的使用寿命，提高发动机的可靠性和安全性。

此外，镍基单晶高温合金具有良好的粉末粘结强度。

在航空发动机中，材料的抗氧化性能是至关重要的。

普通镍基合金在高温下容易与空气中的氧发生反应，导致表面氧化层的生成，降低发动机的工作效率。

而镍基单晶高温合金通过合金元素的优化配比，能够形成致密、稳定且具有良好附着力的氧化层，提高材料的抗氧化性能。

综上所述，新型镍基单晶高温合金在航空发动机中具有广泛的应用前景。

它们能够满足航空发动机对于高温、高压和高速等严苛条件下的材料性能要求，能够提高发动机的工作效率和可靠性，实现更高的推力输出和更长的使用寿命。

然而，虽然镍基单晶高温合金具有很高的应用潜力，但目前仍面临一些挑战和困难。

例如，合金的制备工艺和生产成本较高，合金的热膨胀系数与基体的匹配问题等。

因此，进一步的研究和发展势在必行，以进一步提高镍基单晶高温合金的性能，并实现其在航空发动机中的更广泛应用。

镍基单晶高温合金的发展概况

镍基单晶高温合金的发展概况
镍基单晶高温合金是一种以镍为基础，以碳钒铌等元素为辅助元素主要成分的高温合金，它具有优异的热强度和抗腐蚀性，在高温条件下具有良好的强度性能，广泛应用于航天、航空、火力发电、核能、冶金等功能性领域。

本文综述了近年来镍基单晶高温合金发
展的研究进展，以期为高温合金的开发和应用提供有价值的参考。

首先，介绍了镍基单晶高温合金的优点。

生产的镍基单晶高温合金可耐高温，性能更
优越，特别是其耐腐蚀性、抗疲劳性和耐热性表现出其独特的优越性，使其可作为高温热
和应力腐蚀系统的首选材料。

其次，介绍了有关镍基单晶高温合金的研究进展。

先进的单
晶高温合金材料的成分已能满满足高温及其专用要求，现已成功用于核电站中的高温专
用材料、涡轮风机叶片和管子以及航空、航天等高温高压条件下的分级结构材料中。

所有
这些都得益于理论研究和应用实践。

最后，介绍了该研究领域中出现的一些潜在技术问题。

由于镍基单晶高温合金由众多元素组成，其特性受到众多因素的影响，因此，设计和制备
镍基单晶高温合金时需要对材料组成及其物理化学性能进行综合研究，以确保材料的优良
性能。

综上所述，镍基单晶高温合金具有优良的性能，近年来其发展取得了长足的进展，但
也存在一定的技术问题。

未来更大的研究热点将放在材料组成、材料性能和产品制备上，
目的是开发出性能更优的，更加先进的镍基单晶高温合金。

镍基高温合金的氧化行为研究进展

现代冶金Modern Metallurgy第49卷第1期2021年2月Vol. 49 No. 1Feb. 2021镍基高温合金的氧化行为研究进展王伟娟#,喻聪1，潘斌2,汤梦秋#,王珏1（1.南京工程学院材料科学与工程学院，江苏南京211167； 2.江阴鑫宝利金属制品有限公司，江苏江阴214426）摘要：概述了镍基高温合金的氧化行为及主要研究方法。

目前最广泛使用的氧化行为研究方法为静态增重法、静态减重法和循环氧化法。

该类合金的氧化动力学曲线主要遵循抛物线规律，偶见直线规律、立方规律和对数规律。

氧化产物一般为分层结构，对于高Cr/Al 比的镍基合金，其外氧化层以CrCh 'NiCLNiCrC !、TiC>2为主，内氧化层多为AI 2O 3 ;外氧化层形貌多样，当存在结合强度较低的复合结构氧化膜时，高温条件下会出现表层氧化膜剥落，导致加速氧化。

镍基合金的氧化行为主要受元素扩散控制，合金元素含量及其与氧的结合力是决定氧化行为的本质因素。

关键词：镍基高温合金；氧化层；元素扩散；内、外氧化中图分类号：TG146. 1十5引言镍基高温合金由于具有良好的热强性、抗高温氧化能力而广泛应用于航空、动力、石油化工等领域&随着热端部件服役温度的不断升高，对镍基合金的抗氧化性能要求也逐渐提高，因此对镍基合金氧化行为的研究方法及基本规律进行综述与概括具有重要的现实意义&目前，国内、外都有关于高温合金氧化行为的报道'勺，采用的研究方法包括静态增重法、静态减重法、循环氧化法等，对不同合金的氧化形貌、氧化产物、氧化动力学进行研究，并进一步总结了合金成分对氧化性能与行为的影响，通过理论分析构建了氧化模型&本文主要综述了镍基高温合金氧化行为的主要研究方法、氧化动力学曲线特点、氧化产物、典型的氧化形貌和氧化模型及其基本理论等方面，为高温合金氧化行为的研究提供理论指导&1氧化行为的研究方法国内、外学者对高温合金的氧化行为进行了广泛研究，研究方法具有一定的相似性&基本思路为:首先，根据高温合金的检测标准（国内为航空工业标准HD525E-2000）设计高温氧化实验，并利用高温氧化的动力学曲线来探究其氧化机制；然后，利用X射线衍射（XRD ）来鉴定高温氧化产物、利用扫描电镜（SEM ）和能谱仪（EDS ）等方法来分析其高温氧化膜的表面形貌、截面的形貌特征以及成分，并在实验数据的基础上分析其氧化规律&试验流程图如图1所示&图1氧化行为研究流程图「q 样品切割］［合金试样的前期处理T 表面处理（打磨、抛光、超声波清洗）|冷尺寸与质量测量］T 抗氧化性能评定］［高温氧化实验｝T 氧化动力学曲选）卄氧化膜鉴定］冷氧化产物鉴定与分析|4表面分析］—1 -44X777? 4*1± I［氧化机理模型］X r 截面分析J▼［氧化性能总结］目前，高温合金氧化行为的主要研究方法包括静态增重法、静态减重法、循环氧化法等&收稿日期：2020-08-02基金项目：江阴市科技创新专项资金资助项目（JY0602A010*********PB ）；江苏省产业前瞻与关键核心技术-竞争项目（DE2019027）作者简介：王伟娟（1998-），女，本科生。

高温合金的研究现状

航空航天镍基高温合金的研究现状1万艳松2鞠祖强南昌航空大学航空制造工程学院10032129 万艳松南昌航空大学航空制造工程学院10032121 鞠祖强摘要简单介绍了镍基高温合金的发展历程，综述了近年来镍基高温合金的研究进展，并探讨了镍基高温合金的应用和发展趋势。

关键字：镍基高温合金性能发展现状1.引言高温合金是一种能够在600℃以上及一定应力条件下长期工作的金属材料，而镍基高温合金是以镍为基体(含量一般大于50%) 在650～1000℃范围内具有较高的强度和良好的抗氧化、抗燃气腐蚀能力的高温合金。

2.镍基高温合金发展过程镍基高温合金(以下简称镍基合金)是30年代后期开始研制的。

英国于1941年首先生产出镍基合金Nimonic 75(Ni-20Cr-0.4Ti)；为了提高蠕变强度又添加铝，研制出Nimonic 80(Ni-20Cr-2.5Ti-1.3Al)。

美国于40年代中期，苏联于40年代后期，中国于50年代中期也研制出镍基合金。

镍基合金的发展包括两个方面：合金成分的改进和生产工艺的革新。

50年代初，真空熔炼技术的发展，为炼制含高铝和钛的镍基合金创造了条件。

初期的镍基合金大都是变形合金。

50年代后期，由于涡轮叶片工作温度的提高，要求合金有更高的高温强度，但是合金的强度高了，就难以变形，甚至不能变形，于是采用熔模精密铸造工艺，发展出一系列具有良好高温强度的铸造合金。

60年代中期发展出性能更好的定向结晶和单晶高温合金以及粉末冶金高温合金。

为了满足舰船和工业燃气轮机的需要，60年代以来还发展出一批抗热腐蚀性能较好、组织稳定的高铬镍基合金。

在从40年代初到70年代末大约40年的时间内，镍基合金的工作温度从700℃提高到1100℃，平均每年提高10℃左右。

3.镍基高温合金成分和性能镍基合金是高温合金中应用最广、高温强度最高的一类合金。

其主要原因，一是镍基合金中可以溶解较多合金元素，且能保持较好的组织稳定性；二是可以形成共格有序的A3B型金属间化合物γ'[Ni3(Al，Ti)]相作为强化相，使合金得到有效的强化，获得比铁基高温合金和钴基高温合金更高的高温强度；三是含铬的镍基合金具有比铁基高温合金更好的抗氧化和抗燃气腐蚀能力。

热加工工艺轮廓法测量镍基高温合金单晶叶片内部残余应力分布

热加工工艺轮廓法测量镍基高温合金单晶叶片内部残余应力分布-概述说明以及解释1.引言1.1 概述热加工工艺是一种广泛应用于材料加工领域的工艺方法。

它通过对材料进行加热和塑性变形，以改变材料的形状和性能。

在镍基高温合金单晶叶片的制造过程中，热加工工艺起着至关重要的作用。

本文旨在探讨轮廓法测量在镍基高温合金单晶叶片内部残余应力分布研究中的应用。

轮廓法测量是一种常用的非破坏性测量方法，通过测量材料表面的轮廓变化，可以获得材料内部的残余应力分布情况。

文章的正文将分为几个主要部分进行介绍。

首先，我们将对热加工工艺进行定义和背景介绍，包括其作用和分类。

其次，我们将详细探讨轮廓法测量的原理、步骤和优势，并阐述轮廓法测量在镍基高温合金单晶叶片中的应用。

接着，我们将深入研究镍基高温合金单晶叶片内部残余应力分布的形成原因和影响因素，并介绍测量方法和研究进展。

最后，我们将阐述实验方法和结果，并总结主要发现、研究意义、不足之处以及进一步的研究方向。

通过本文的研究，我们可以更好地理解热加工工艺在镍基高温合金单晶叶片制造中的作用，并且可以利用轮廓法测量技术来研究材料内部的残余应力分布情况。

这将有助于优化叶片的设计和制造过程，提高材料的性能和可靠性。

同时，本文也将为进一步的研究提供了一些重要的方向和思路。

写文章1.1 概述部分的内容1.2 文章结构本文共包括四个部分，分别为引言、正文、实验方法和结果以及结论。

引言部分（Chapter 1）主要介绍了本文的背景和目的。

首先，对热加工工艺在材料加工中的重要性进行了概述，并指出了热加工工艺在提高材料性能和改善材料结构方面的作用。

接着，简要介绍了文章的结构和各个章节的内容安排，以便读者对整个文章有一个整体的了解。

最后，总结了本文的主要内容和观点。

正文部分（Chapter 2）是本文的重点，包括热加工工艺、轮廓法测量、镍基高温合金单晶叶片内部残余应力分布等内容。

在2.1节中，将介绍热加工工艺的定义和背景、热加工工艺的作用以及在镍基高温合金单晶叶片中的应用。

Ni／Ni3Al相界的研究进展

０引言
镍基单晶高温合金具有优良的高温性能，是制造先进航
空发动机和燃气轮机叶片的主要材料。目前，高温合金已发
３．５２Ａ，Ｌ１。结构Ｎｉ。Ａｌ的晶格常数为３．５７３Ａ，两者非常接
近。７组成网格，而７相则沿着立方晶体的［－ＯＯ１］方向共格析出Ⅲ 】］。这种完全共格或近似共格的界面使材料的微观结构非常稳定，为材料在高温条件下应用提供了基础。镍基单晶高温合金中存在大量合金元素（如Ｒｅ、Ｒｕ、Ｗ、Ｍｏ、Ｉｒ、Ｔａ、Ｃｒ等）以及杂质元素（如Ｎ、Ｏ、Ｈ、Ｓ、Ｐ、Ｓｉ、Ａｓ、Ｓｅ、Ｃ、Ｂ等）。其中，Ａｌ、Ｔｉ、Ｔａ和Ｎｂ等元素是相形成元素，决定强化相的数量，Ｔａ偏聚于相。Ｃｒ主要以固溶态存在于基体中，其作用是增加抗氧化和抗热腐蚀能力。Ｃｏ在合金中主要分布于
・
１３６・
材料导报
２０１４年５月第２８卷专辑２３
Ｎｉ／Ｎｉ３ＡＩ相界的研究进展
李闯
（陕西理工学院材料科学与工程学院，汉中７２３００３）摘要镍基单晶高温合金具有优良的高温性能，其结构主要是由具有Ｌ１。一Ｎｉ。Ａ１有序金属间化合物结构的７
ＬＩＣｈｕａｎｇ
（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｈａａｎｘｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｎｚｈｏｎｇ７２３００３）ＡｂｓｔｒａｃｔＮｋｂａｓｅｄｓｉｎｇｌｅｃｒｙｓｔａｌｓｕｐｅｒａｌｌｏｙｓｈａｓｅｘｃｅｌｌｅｎｔｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，ｂｅｃａｕｓｅｔｈｅｉｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅ

镍基单晶高温合金研究进展.

Mo和Ru在镍基单晶高温合金中的作用中期报告

镍基单晶高温合金DD5_磨削成屑机理研究

镍基单晶合金高温蠕变行为的研究新进展

54.镍基单晶高温合金的发展概况

镍基单晶高温合金研究进展.

K465镍基高温合金的研究共3篇

镍基高温合金材料的研究进展

镍基单晶合金力学特性及其在冷却涡轮叶片上的应用分析

镍基单晶高温合金共晶溶解动力学研究

DD419_镍基单晶高温合金980_℃下低周疲劳行为研究

镍基单晶高温合金凝固缺陷研究进展

镍基单晶高温合金高温低应力蠕变过程中典型变形机制研究进展

新型镍基单晶高温合金在航空发动机中的应用前景

镍基单晶高温合金的发展概况

镍基高温合金的氧化行为研究进展

高温合金的研究现状

热加工工艺 轮廓法测量镍基高温合金单晶叶片内部残余应力分布

Ni／Ni3Al相界的研究进展

热加工工艺轮廓法测量镍基高温合金单晶叶片内部残余应力分布