難熔金屬元素對(duì)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(dú)特的雙相組織而具備優(yōu)異的高溫機(jī)械性能和抗氧化等綜合性能，已成為制造先進(jìn)航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)葉片的主要材料。現(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(shí)分布于γ(FCC)和γ'(L12)兩相，主導(dǎo)合金的相析出行為，對(duì)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(duì)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(jì)提供理論指

2、導(dǎo)，具有一定的科學(xué)意義及實(shí)踐價(jià)值。
　　本課題在美國(guó)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(duì)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(shí)驗(yàn)和理論方法，針對(duì)不同固溶時(shí)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(duì)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?jī)?nèi)容及結(jié)論如下：
　?、偬剿麟y熔金屬元素 W、Re交互作用對(duì)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(shí)現(xiàn)元素原子的三維重構(gòu)，實(shí)驗(yàn)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(shí)效0.25 h時(shí)，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(jī)制和析出相顆粒合并機(jī)制共存。隨著時(shí)效時(shí)間延長(zhǎng)，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?jǐn)?shù)穩(wěn)定時(shí)效期間，平均半徑和數(shù)量密度粗化時(shí)間指數(shù)和 UO模型預(yù)測(cè)值接近，說明合金至少處于準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)粗化

4、狀態(tài)。
　?、诜治?W、Re對(duì)模型 Ni-Al-Cr基合金化學(xué)演化的影響，測(cè)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(gè)時(shí)效過程中，Ni的兩相濃度無(wú)明顯變化，Al、W元素不斷擴(kuò)散進(jìn)入γ'相，Cr、Re元素則傾向流入基體相。W、Re元素?cái)U(kuò)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(jìn)程。合金界面寬度值隨時(shí)效時(shí)間延長(zhǎng)而變小，時(shí)效256 h后，標(biāo)準(zhǔn)化界面寬度趨于零，說明長(zhǎng)期時(shí)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(cè)試結(jié)果，針對(duì)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(zhǎng)期時(shí)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(qiáng)化 Al、Cr兩相分配行為，提高析出相體積分?jǐn)?shù)，對(duì)兩者的強(qiáng)化效果遵循同樣規(guī)律。得

6、益于難熔金屬元素的固溶強(qiáng)化作用與γ'相體積分?jǐn)?shù)的增長(zhǎng)，合金硬度提高。
　　④分析模型 Ni-Al-Cr基合金長(zhǎng)期時(shí)效后仍然存在的 Ni界面過?，F(xiàn)象，探索添加難熔金屬元素對(duì)界面偏聚行為的影響機(jī)制。結(jié)合實(shí)驗(yàn)APT徑向分布函數(shù)以及第一性原理計(jì)算結(jié)果，對(duì) R（W、Re、Ru、Ta）和 S（S=Al、Cr）原子結(jié)合能進(jìn)行計(jì)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