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            鎳基高溫合金發展始Nimonic 75

            2022/3/15 16:00:19 點擊:

            鎳基高溫合金由于具有較高的承溫能力、較長的持久壽命和較強的高溫組織穩定性,廣泛應用于航空發動機渦輪葉片和燃氣輪機葉片。鎳基高溫合金的基本元素為Ni、Cr和Al。其中,Ni提供fcc基體,Cr主要對基體進行固溶強化并提高抗氧化性,而Al則主要穩定強化相γ′。為了進一步提高鎳基高溫合金的承溫能力和高溫結構穩定性,科研人員往往需要對合金進行大幅度的合金化,合金化元素在鑄造高溫合金中主要有以下幾種作用:Ni、Co、Cr、Fe、W、Mo和Re元素作為基體形成元素,Al、Ti、V、Nb、Ta、Zr和Hf元素則是作為γ′形成元素進行添加,Cr、W、Mo、Ti、V、Nb、Ta、Zr、Hf和C元素促進碳化物的形成,Zr、Hf、C、B和Y可以對晶界(或相界)進行強化,最后Cr、Re、Al、Ta和Y可以提高合金的氧化抗力。這些合金化元素中,Ta和Ti都是γ′形成元素和碳化物形成元素,而Ni和Co的作用比較單一(基體形成元素)。

            鎳基高溫合金的發展始于變形高溫合金,例如Nimonic 75,即在80Ni-20Cr熱電合金中加入0.3%Ti (質量分數)以及其它元素制備而成。同時,對Nimonic 80合金中Ti元素進行調整,并且改進工藝,研發出Nimonic 80A??蒲腥藛T對Co、Ti等元素含量進一步優化,研發出Nimonic 90(GH4090)和Nimonic 95等變形高溫合金。研究發現,變形高溫合金中,Ta和Ti通過穩定析出相從而對變形高溫合金進行強化,其中Ti的添加比較普遍,并且Ti的添加量相對較高。Co可以降低基體的層錯能,提高合金的強度。在變形高溫合金中降低Co的含量,可以提高γ′相和碳化物的溶解溫度,并且抑制連續的網狀碳化物在晶粒間形成,從而降低合金的脆性。

            為了進一步提高鎳基高溫合金的性能,科研人員研發出鑄造高溫合金。通過對鑄造高溫合金的晶界進行控制,研發出等軸晶鑄造合金(如Mar-M200)、定向凝固柱晶高溫合金(如PWA1422和單晶高溫合金(如René N5)。由于突破了變形工藝的束縛,鑄造高溫合金中的Ta、Mo和W等高熔點元素的含量得以增加。其中,Co作為基體γ形成元素,在降低基體堆垛層錯能的同時,阻止γ′形成元素(Al、Ti和Ta等)進入基體γ,降低了γ′形成元素在基體中的溶解度,從而促進了γ′的析出并提高γ′體積分數。Co同樣可以增加Cr、Mo、W和C等元素在基體γ中的溶解度,控制碳化物的析出。等軸晶合金的Co含量通常高于10% (質量分數),如K417G (René 100),但也有無Co等軸晶合金,如K4648。研究發現,去除等軸晶鑄造合金Mar-M247合金Co元素,碳化物會在晶界處形成網狀結構并引發合金的脆性,同時γ′粗化,γ′體積分數降低。等軸晶鑄造合金Mar-M421和定向凝固合金Mar-M247中,拓撲密排相(TCP相)的析出對Co含量的變化敏感。在定向凝固和單晶高溫合金中,Co作為固溶強化元素進入γ基體中。通過對定向凝固柱晶高溫合金的研究發現,不含Co的定向凝固合金和含有4%Co的定向凝固合金,都可以抑制TCP相的析出。相關研究表明,析出相γ′的穩定性和TCP相的析出是影響鎳基高溫合金微觀結構穩定性的2個重要因素。Co元素在對鎳基高溫合金的γ相進行固溶強化的同時也促進了合金微觀結構的穩定性,抑制了TCP相的析出。在單晶高溫合金中,Co和Ru有類似的作用,即較高的Co可以通過調整合金化元素的偏析抑制TCP相的析出。此外,Co元素還可通過提高合金的擴散系數來抑制了TCP相的析出。第三代單晶合金CMSX-10的Co含量較低(3%),但仍然能夠維持其組織的穩定性。含Co高溫合金的抗蠕變能力對取向偏離度敏感,并且Co的加入可以降低Re和Ta等元素的偏析。此外,Ta和Ti元素在γ′-Ni3Al中替換Al并且促進γ′的析出。在定向凝固合金IN792中,合理的Ta、Ti比例可以改善合金的鑄造性能,降低合金對熱裂紋的缺口敏感性。單晶高溫合金中,Ta作為強γ′形成元素,可以提高γ′體積分數。同時,較高的熔點(Ta,3287 K)可以提高γ′的溶解溫度,最終增強γ′的強化作用。Ta也可以提高合金的抗氧化和耐熱腐蝕性并提高γ′相的反相疇界能,改善γ′相的穩定性并在長期時效過程中抑制γ′相的粗化。此外,Ta可以進入γ基體從而引起固溶強化,并降低γ基體的堆垛層錯能。而Ti同樣對γ′相進行強化,并且提高合金的抗熱腐蝕性能。但過多加入Ti容易降低合金的鑄造性能并縮小熱處理窗口。因此,第二代單晶合金DD406以及更高代次的單晶高溫合金中,Ti含量很少添加甚至不添加,而Ta含量卻增加。

             

             

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