Hf和Zr在高温材料中作用机理研究

在高温合金中,元素Hf和Zr可以促进γ γ′共晶、MC(2)碳化物、M2SC碳硫化物和Ni5M相的形成,改变草书状MC和M3B2成为块状并且通过净化晶界或枝晶间自由态的S来提高这些薄弱部位的结合强度,从而延迟裂纹的形成和扩展.Hf和Zr可提高铸造高温合金室温拉伸和中温持久的强度和塑性.Hf,Zr抑制次生碳化物M23C6和M6C的生成,从而提高了合金在高温长时热暴露时的显微组织稳定性.Hf,Zr降低合金的初熔温度,Ni5Hf和Ni5Zr相的初熔被认为是Hf,Zr影响初熔的主要原因.通过1150℃/8h的预处理,Ni5Hf以Ni5Hf γ(C)→MC(2) γ反应或者固溶两种方式被消除.元素Hf可以缩小枝晶间失去毛细管补缩能力和固相线之间的温度范围,还能降低枝晶间液池沟通所需的液体量.在凝固后期枝晶间的富Hf熔体具有很好的流动性、浸润性和趋肤效应,这些都是降低合金热裂倾向、提高合金可铸性和焊接性能的有利因素.具有高的化学活性的富Hf液膜容易在铸件表面形成Hf2O薄层.Hf和Zr是钎焊用中间层合金的降熔点元素.根据凝固过程中富Hf,Zr熔体的成分最终发展出Ni-18.6Co-4.5Cr-4.7W-25.6Hf和Ni-10Co-8Cr-4W-13Zr两种中间层合金,使单晶高温合金的无Si、B连接成为现实.还发展出了定向凝固片状Ni3Al/Ni7Hf2共晶合金,成分为Ni-5.8Al-32Hf和Ni-4Al-26Hf-8Cr-4W.Ni-5.8Al-32Hf合金的最佳凝固条件为温度梯度G=250℃·cm-1和凝固生长速率R=5μm·s-1;Ni-4Al-26Hf-8Cr-4W,凝固条件为G=350℃·cm-1和R=1μm·s-1.     

Ni-30Al-1Hf 合金的微观结构及相变特点

通过定向凝固技术制备的Ni-30Al-1Hf合金,是一种由γ相增强的树枝状β-NiAl基双相合金。在铸态时β和γ相存在着确定的取向关系。经不同冷却方式的热处理后发现,合金组织结构发生不同程度的变化,其中空冷或油淬后Ni-30Al-1Hf的枝晶干区大部分转变成了NiAl马氏体相。在900℃经拉伸变形后,NiAl马氏体组织已完全消失,而在β-NiAl相内部重新析出块状或条状的γ相。     

高温度梯度定向凝固下Ni-NbC合金的组织演化

在温度梯度300K/cm和定向凝固速率5～20μm/s下,Ni-10.6wt%NbC合金以平界面方式凝固,当凝固速率达到50μm/s 时,合金凝固组织中出现共晶胞状组织.随定向凝固速率的增大,三叶状和点状形态的NbC相向条状NbC相过渡.当定向凝固速率从2μm/s跃迁变化到10μm/s时,Ni-10.6wt%NbC合金凝固组织仍然以规则共晶生长;而跃迁变化到50和100μm/s时,出现起伏较大的共晶胞状组织和初生相Ni枝晶的生长.另外采用速率跃迁变化可以细化恒定定向凝固速率下的组织,组织的细化是通过NbC相重新成核,使纤维间距减少进行的.     

Ni-24.19wt%Nb过共晶合金跃迁减速定向凝固下初生Ni_3Nb相的消失

对Ni-24.19%Nb过共晶合金在定向凝固速率10μm/s和跃迁减速定向凝固下的组织进行了研究,结果表明:凝固速率10μm/s下,合金中出现了初生Ni3Nb相的生长,并在凝固20mm后达到了准稳态,与最高界面生长温度假设的理论分析相一致.在从10μm/s跃迁减速到1μm/s过程中,界面上液相溶质的变化,造成了初生Ni3Nb相的含量先增加后减少,而初生相的消失,凝固组织变为全耦合生长的共晶组织,主要是由于初生相与共晶相相互竞争生长造成的.另外,初生相的消失也不是在同一个平面上均匀进行的,而是从试样的边缘向中心逐渐发展的.     

稀土对高碳高速钢组织和性能的影响

在成分为Fe-5% V-5% W-5% Mo-5% Cr-3% Nb-2% Co-2% C的高碳高速钢中添加稀土,研究了稀土对高碳高速钢铸态组织、热处理组织和力学性能的影响.结果显示:稀土处理使高碳高速钢的奥氏体晶粒和共晶组织明显细化,共晶组织中片层状碳化物变短、变细.热处理后,共晶碳化物大部分变成团球状且分布均匀.稀土处理高碳高速钢的硬度和红硬性略有增加,冲击韧性提高37.81%,达到10.17J/cm2,分析了稀土在高碳高速钢中的作用机理及改善合金性能的机制.     

Al含量对耐热Mg-Al-Sr合金显微组织及力学性能的影响

研究了Mg-(4～7)Al-2Sr系列四种合金的显微组织、拉伸和蠕变性能及Al含量对其组织和性能的影响.Mg-(4～7)Al-2Sr系合金的铸态组织均由α-Mg和沿枝晶界分布的第二相构成.Al含量为4%时在晶界处形成了离异共晶和少量层片共晶Al4Sr相及大块的三元τ(Mg-Al-Sr)相.Al含量的增加使Al4Sr全部转变为更加粗大的层片状共晶,同时共晶相的体积分数增加而τ相体积分数减小,当Al含量6%时全部为α-Mg+Al4Sr共晶组织.Al含量继续升高到7%后,基体中形成了少量的Mg17Al12相.含Al 4%和5%的合金中Sr抑制了显微组织中Mg17Al12相的形成和高温下的非连续析出,并且在高温100h蠕变后显微组织没有发生明显变化,有较好的蠕变抗力.三元τ相比Al4Sr有更高的热稳定性,因此在Al含量低于6%时,随着Al量增大,τ相减少而Al4Sr相增加,导致合金蠕变性能有所下降;Al含量高于6%时,胞状Mg17Al12相非连续析出,Al含量增大使析出相增多,蠕变性能也逐渐下降.     

Al含量对一种新型高W，Mo的Ni3Al基合金组织和性能的影响

为满足1050℃使用的等温锻模具材料的需求,在IC6合金成分的基础上研制了一种新型的高W,Mo强化的Ni3Al基等轴晶合金,尝试在合金中添加了不同含量的铝改善合金的抗氧化性能,并研究了铝对合金微观组织和1050℃拉伸性能和1100℃持久性能的影响.采用带能谱的扫描电镜分析了合金微观组织以及氧化膜形貌,采用X射线衍射分析了合金氧化膜的相组成.研究结果显示,随铝含量从7wt%增加到8wt%,合金的氧化增重速率明显降低,氧化皮脱落量减少,合金的抗氧化性能明显提高.力学性能测试结果表明,铝含量为7.5wt%的合金具有较好的综合高温性能,当铝含量提高到8wt%时,合金中的初生γ＇相大量增加,合金高温强度明显降低.     

Ca对Mg-5Al-8Zn-xCa镁合金显微组织与力学性能的影响

采用重力铸造法制备了Mg-5Al-8Zn-x Ca(x=0,1.75,2.0,2.25,2.5,2.75,3.0,wt%)合金。使用XRD、OM和SEM等研究了Ca含量对合金组织与力学性能的影响。结果表明:铸态Mg-5Al-8Zn-x Ca合金主要由α-Mg基体、β-Mg17Al12相、Mg32(Al,Zn)49相及MgZn2相和Al2Ca相组成。当Ca含量从1.75wt%增加到2.75wt%时,基体晶粒显著细化,β-Mg17Al12相由粗大的连续网状转变为细小的断续网状分布于晶界上,层片状Al2Ca相也显著细化,此时合金的拉伸强度达到最大值138 MPa,较未加Ca时提高了27.8%;Ca含量继续增加至3.0wt%,晶粒又发生粗化,合金拉伸强度发生下降;拉伸断裂形式均为准解理脆性断裂。     

快速凝固/粉末冶金Al-20Si-7.5Ni-3Cu-1Mg-0.25Fe合金的显微组织与力学性能

采用快速凝固/粉末冶金工艺制备Al-20Si-7.5Ni-3Cu-1Mg-0.25Fe合金挤压棒材,通过OM,SEM,TEM,XRD和拉伸试验等手段研究挤压态和T6态合金的显微组织及力学性能。结果表明:挤压态和T6态合金的主要组成相均为α(Al),β(Si),Al3Ni,Al3Ni2,Al7Cu4Ni和Al4Cu2Mg8Si7。挤压态合金中块状Si相平均尺寸约为2.4μm,且带有明显尖角;T6热处理后,块状Si相发生粗化和球化现象,粗化后其平均尺寸约为3.2μm。T6态合金的室温抗拉强度和屈服强度分别为490MPa和415MPa,硬度达到91.3HRB。挤压态和T6态合金的拉伸断口平整,均属脆性断裂,且断口出现由Si相破裂后形成的小平面。     

新型Ni_3Al基定向高温合金IC10

介绍一种新型1100℃用涡轮导向叶片合金.该合金不含元素Ti而含有1.5wt%的Hf,并且Al Ta Cr含量高于19wt%,具有良好的抗氧化性能,同时持久强度达到国外一代定向合金水平,铸造性能突出.IC10合金的碳化物主要为TaC和HfC,并且由于次生MC(2)的生成,抑制了产生M6C相.采用1180℃,2h的预处理消除低熔点Ni5Hf相,提高了合金的初熔温度.测得了IC10合金700℃,980℃的低循环疲劳寿命曲线以及600℃1100℃的热/机械疲劳寿命曲线.利用IC10合金研制的某发动机高压涡轮导向叶片正在进行地面试车考核.     

热等静压处理对定向凝固NiAl/Cr(Mo,Hf)合金沉淀相和高温拉伸性能的影响

 研究了经热等静压处理后定向凝固 Ni Al/Cr(Mo,Hf)合金中的沉淀相和高温拉伸性能的变化。通过透射电镜和扫描电镜观察发现 :热等静压处理后,Ni Al和 Cr(Mo)相的形貌变化不大,聚集在 Ni Al/Cr(Mo)相界上的 Heusler减少并在 Ni Al,Cr(Mo)相中重新分布。从界面能的角度解释了 Heusler相主要沉淀在Ni Al/Cr(Mo)相界上的原因。热等静压处理后合金中不存在 G相。高温瞬时拉伸实验表明此合金具有优异的高温拉伸强度。     

新型Co基合金Co-9Al-(9-x) W-xMo-2Ta-0.02B的显微组织与高低温力学性能

以新型Co基合金Co-9Al-9W-2Ta-0.02B成分为基础,分别添加了原子分数为2％、4％、6％、9％的Mo元素替代W（分别称2Mo、4Mo、6Mo、9Mo合金,W+Mo的原子分数为9％,无Mo添加的称为0Mo合金）,研究了Mo元素对合金相组成、显微组织形貌、维氏硬度和高低温压缩强度的影响.结果表明铸态合金由Co...     

DD3单晶镍基高温合金凝固过程的研究

 DD3合金是国产第一代单晶涡轮叶片材料,它去除了普通铸造高温合金中常存的微量合金化元素,使合金的初熔温度大大提高。这一特性使高温固溶处理得以在单晶合金中广泛应用,大幅度提高了合金的力学性能。同时,微量成分的调整,使得合金的凝固特性产生明显的变化。本研究工作通过对三种成分合金的凝固试验以及对凝固组织的显微分析来判断DD3合金凝固特性的变化规律。     

Al含量对空心阴极等离子烧结Ti/Ni等原子比TiNiAl合金组织和力学性能的影响

 采用空心阴极等离子烧结工艺制备了Ti/Ni等原子比的Ti_50-x/2Ni_50-x/2Al_x(x=0,3,6,9)合金,研究了Al含量对合金微观组织以及力学性能的影响。结果表明:未添加铝的合金微观组织主要由NiTi基体、强化相Ti₂Ni、Ni₃Ti及孔隙组成;随着Al含量的提高,合金中Ti₂Ni(Al)数量不断增多,孔隙数量和孔径不断增加,Ni₃Ti(Al)数量不断减少,在Ti_45.5Ni_45.5Al₉中还生成了少量Ni₂TiAl相;合金的抗弯强度随Al含量的提高而增加,并在Al含量为6%时达到最大值296.3 MPa;合金的硬度随铝含量的提高而增加,Ti_45.5Ni_45.5Al₉的硬度值为295.6 HV。     

Cr在Ti-Al-Cr合金抗高温氧化过程中的作用研究

研究了 Ti-50 Al,Ti-50 Al-1 5Cr,Ti-4 5Al-1 5Cr和 Ti-67Al-8Cr(原子百分数 )合金在 90 0～ 1 0 0 0℃下的高温氧化性能。结果表明 :Ti-50 Al-1 5Cr,Ti-4 5Al-1 5Cr和 Ti-67Al-8Cr均表现出优良的抗氧化性能,氧化后表面主要是 α-Al₂O₃及少量的 TiO₂ 组成。Ti-50 Al-1 5Cr,Ti-67Al-8Cr和 Ti-4 5Al-1 5Cr合金良好的抗高温氧化性能归于 Cr在合金抗氧化过程中起到了吸氧效应的作用。另外发现对于 Ti-50 Al-1 5Cr和 Ti-67Al-8Cr均发生了 950℃时的氧化增重比 1 0 0 0℃时的氧化增重大,这是由于 Cr的加入使 Ti的活性降低的缘故。     

定向凝固时热溶质对流对Al/AlLi共晶生长形态稳定性的影响

在垂直向上定向凝固条件下,研究了热溶质对流对二元亚共晶 Al-Li合金 Al/ Al Li共晶生长形态稳定性的影响。结果表明,晶体生长初期,热溶质对流较微弱,对界面形态稳定性无明显的影响,晶体以完全的Al/ Al Li共晶方式生长。当热溶质对流较强烈时,对界面形态稳定性产生严重的影响。平面界面失稳破开时,单相胞状晶领先生长。在单相胞状晶之间以 Al/ Al Li共晶方式生长。获得了二元亚共晶 Al-Li合金共晶的稳定性生长条件。     

影响微动疲劳行为的材料因素研究

实验对比研究了两种结构不同的钛合金 [Ti6Al4V (α +β型 )和Ti5Al2 .5Sn(α型 ) ]和两种结构相同 (马氏体 )但强度与硬度差别较大的耐热不锈钢 (lCr11Ni2W 2MoV和Cr17Ni2 )的微动疲劳 (FF)抗力及微动垫材料的影响 ,以进一步探讨材料因素对FF抗力的作用规律和机制。在本文实验条件下 ,具有较高强度和疲劳极限的Ti6Al4V钛合金和Cr17Ni2耐热不锈钢的FF抗力分别高于Ti5Al2 .5Sn钛合金和 1Cr11Ni2W2MoV钢 ,即在材料组织结构相同或相近的条件下 ,屈服强度和疲劳极限决定FF抗力 ;当材料与高硬度配副接触时 ,FF裂纹易于萌生 ,FF损伤倾向增大 ,此时喷丸形变强化可更有效地提高材料的FF抗力。     

轧制NiMnFeGa高温形状记忆合金的微观结构及拉伸力学性能

 采用包套热轧的方法,将Ni56Mn17Fe8Ga19和Ni56Mn15Fe10Ga19合金铸锭成功轧制为均匀板材,研究了其微观组织结构、相变特性和拉伸力学性能等。结果显示,轧制后合金的晶粒和γ相变得细碎,且沿着轧制方向伸长分布,其逆马氏体相变温度下降,相变滞后减小;轧制态合金的抗拉强度和延伸率分别超过500 MPa和2%,热处理后,强度降低而延伸率上升。     

Ni基超合金强化相的电子结构和层错能的计算

为了控制和调整合金中位错分解方式，最终达到控制蠕变机制和提高合金持久寿命的目的。应用实空间Recursion方法，计算了Ni3Al强化相中[111]层错的电子结构及加入微合金化元素Co的效应。建立了Ni3Al中沿[111]方向生长的晶体模型和产生层错后的晶体模型，给出了体元的电子态密度，费米能级和层错能。通过计算得到了以下结论：(1)在Ni3Al晶胞中Al对于总态密度的贡献在整个能量范围内较小，总态密度主要来自过渡金属Ni。(2)用Co原子代替Ni3Al中Al原子可以降低Ni3Al层错能。