镍基单晶高温合金γ-Ni-γ'-Ni3Al相界中合金元素偏析行为及其对相界热力学稳定性和断裂强度的影
一种新型三代含锇镍基单晶高温合金的析出相演化规律
一种新型三代含锇镍基单晶高温合金的析出相演化规律
于静毅;张利军;周科朝;黄再旺
【期刊名称】《粉末冶金材料科学与工程》
【年(卷),期】2024(29)2
【摘要】铼和钌在镍基单晶高温合金中的应用常受限于其含量和相稳定性,寻找能同时代替铼和钌的新元素具有重要意义。
本研究设计了一种具有高含量锇的新型镍基单晶高温合金,采用传统Bridgman技术制备铸态单晶合金,并对合金进行固溶时效处理,通过光学显微镜和扫描电子显微镜研究合金的析出相演化规律。
结果表明:铸态合金中锇和钨偏析于枝晶干区域,而铝、钽、钛则偏析于枝晶间区域,即使经过长时间的固溶热处理,锇和钨仍有轻微的偏析。
由于枝晶区域的元素偏析,一次时效处理后枝晶间的γ′相比枝晶干的γ′相更易转变为立方形,二次时效处理使析出相的尺寸和体积分数略微增大,形状从立方形向圆形转变。
【总页数】9页(P109-117)
【作者】于静毅;张利军;周科朝;黄再旺
【作者单位】中南大学粉末冶金国家重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】TG131
【相关文献】
1.一种含4％ Ru新型镍基单晶高温合金蠕变性能的研究
2.直流电流对一种镍基单晶高温合金γ′相析出的影响
3.一种含
4.2%Re单晶镍基合金的蠕变行为与组织演
化规律4.一种含Re镍基单晶高温合金的长时组织演化规律研究5.固溶热处理对一种第三代镍基单晶高温合金组织及高温持久性能的影响
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镍基单晶高温合金的发展
0. 15C 1. 6Nb 8. 76
АЛ- 31Ф
0. 015B
CN K7
DD3 DD8
俄 15 8. 8 0. 4 6. 9 — — — 4. 1 3. 9
中 9. 5 5 3. 8 5. 2 — — — 5. 9 2. 1 中 16 8. 5 — 6 — — — 2. 1 3. 8
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5 — 10 3 — — 5. 5 2. 2
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(2. Shenyang University of Technology, Shenyang 110023, China) Abstract: The development of the N i - base single crystal superalloys is introduced, and its composition, phase p re2
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。
ni基高温合金γ'相化学腐
ni基高温合金γ'相化学腐摘要：1.镍基高温合金概述2.γ"相的化学腐蚀特点3.镍基高温合金γ"相腐蚀机理4.抗腐蚀策略与应用正文：镍基高温合金是一种广泛应用于航空航天、能源、化工等领域的材料，因其具有优异的高温强度、抗氧化性、耐腐蚀性等性能而备受关注。
然而，镍基高温合金在某些环境下会发生腐蚀，其中γ"相腐蚀是一种较为常见的现象。
本文将对镍基高温合金γ"相的腐蚀特点及机理进行分析，并提出相应的抗腐蚀策略。
一、镍基高温合金概述镍基高温合金是指以镍为基体，加入一定比例的铬、钴、钨、钼等元素组成的一种合金。
在高温环境下，镍基高温合金具有较高的抗氧化性、热疲劳性、蠕变性等性能。
其中，γ"相是镍基高温合金中的一种重要相，对合金的力学性能和腐蚀性能具有显著影响。
二、γ"相的化学腐蚀特点1.腐蚀形态：γ"相腐蚀主要表现为局部腐蚀，如点腐蚀、缝隙腐蚀等。
这些腐蚀形态往往导致合金表面出现坑洼、脱落等损伤。
2.腐蚀速率：γ"相腐蚀速率较快，尤其在高温、高湿、含氧环境下，合金的腐蚀速率更为明显。
3.腐蚀产物：γ"相腐蚀产物主要为氧化物、硫化物等，这些腐蚀产物会进一步加剧合金的腐蚀。
三、镍基高温合金γ"相腐蚀机理1.电化学腐蚀：镍基高温合金在含有氯离子、硫离子等活性离子环境下，易发生电化学腐蚀。
活性离子在合金表面与合金元素发生反应，产生局部腐蚀。
2.氧化膜破裂：镍基高温合金在高温环境下，表面会形成一层氧化膜保护层。
然而，在某些条件下，氧化膜会发生破裂，导致合金表面暴露，进而发生腐蚀。
3.合金元素扩散：在腐蚀过程中，合金中的铬、钨等元素会向腐蚀前沿扩散，使得腐蚀产物不断生成并堆积，从而加速腐蚀进程。
四、抗腐蚀策略与应用1.合金成分优化：通过调整合金成分，提高镍基高温合金的抗氧化性、耐腐蚀性。
例如，增加铬、钨等元素的含量，以提高合金的耐腐蚀性能。
镍基单晶高温合金研究进展
镍基单晶高温合金研究进展独立为一个领域的镍基单晶高温合金（Ni-Based Single-Crystal Superalloys）研究起步于20世纪50年代，主要目标是在高温、高压、高速等极端环境下保持优异的力学性能。
如今，这一领域已经取得了显著的进展，推动了航空航天、能源等关键工业的发展。
受制于晶体缺陷（如位错、晶界和第二相）对材料力学性能的影响，研究者最初承认了单晶材料在抗蠕变强度、抗腐蚀和抗氧化性方面的潜力，这让镍基单晶高温合金的研究开始受到关注。
随着应用需求和制造技术的进步，研究者开始探索新的冶金设计原理，克服制约合金性能提升的关键元素/组织的影响。
在材料选择方面，硬化元素（如铝、钛），刚性和解析强化元素（如钨、镍）以及一些其他元素（如镍、镍酮等）已经得到广泛采用。
而在微观组织设计上，利用多元素固溶强化，普遍采用的'γ/γ'二相组织设计以及精细的嵌套共析组织设计已经取得了显著的力学性能提升。
尤其是近年来在第二相强化机制理解的深入，使得研究者在了解和控制合金中不同的位错-第二相相互作用，以及在指导强化相布局优化方面取得了突破性进展。
另一方面，制备工艺也是影响镍基单晶高温合金性能的重要因素。
如今，过渡金属基单晶合金的制备工艺已经实现了工业化。
其中辐射区熔技术和定向凝固技术居于主导地位，使得合金中的第二相尺寸、形状和分布得到了有效控制，同时也保证了合金的组织均匀。
此外，结构设计也在镍基单晶高温合金的性能提升方面起到了重要作用。
近年来，材料科学家已经从多尺度、多视角对合金微观组织进行了深入研究，提出了多个有效的结构优化方案。
如对合金中强化相的尺寸、形状、分布以及取向等进行优化，引入双强化设计，实现第二相强化与固溶强化的协同增强等。
综上所述，随着理论研究、工艺技术和实际应用的深入，镍基单晶高温合金的设计和制备技术发展迅速，性能也得到了显著提升。
不过，目前镍基单晶高温合金的研究仍面临严峻的挑战，如如何进一步提高合金的使用温度，如何改善合金的持久性以及如何实现复合强化设计等。
镍基单晶高温合金γ-γ'相界中氢化空位的形成机理及其对相界性能影响的第一性原理研究
镍基单晶高温合金γ-γ'相界中氢化空位的形成机理及其对相界性能影响的第一性原理研究镍基单晶高温合金在高温、高应力环境下的使用具有重要意义。
然而，氢脆是限制其应用的一个重要因素。
氢在材料中存在的一种方式是以空位的形式存在，这对相界的稳定性和性能有很大影响。
本文通过第一性原理计算，研究了镍基单晶高温合金中γ/γ'相界中氢化空位的形成机理及其对相界性能的影响。
首先，我们采用密度泛函理论(DFT)计算γ/γ'相界中不同形态的氢化空位的能量。
计算结果表明，在γ相中，氢可与周围的镍原子形成三个键，同时损失一个电子，因此引入的氢离子带有负电荷，并且通过键弹性与镍原子相连。
在γ'相中，由于镍与铥原子之间的不同配位，氢离子损失两个电子，并与周围的镍和铥原子形成四个键。
根据计算结果，我们发现在γ相和γ'相中形成氢化空位的能量是有差别的，这是由于配位环境的不同导致的。
然后，我们研究了氢化空位对相界性能的影响。
通过计算发现，氢化空位的存在使得相界的结构和能量发生了改变。
在γ相中，氢化空位导致了界面的畸变，使得界面的能量增加。
在γ'相中，氢化空位会导致局部应力的集中，破坏了界面的稳定性。
此外，我们还发现氢化空位与界面的相互作用会影响界面的扩散行为。
通过计算不同形态的氢化空位对γ和γ'相界的能量校正，我们发现氢化空位有可能成为界面扩散的驱动力。
最后，我们进一步研究了不同温度和应力条件下氢化空位在相界中的动力学行为。
通过分子动力学模拟，我们发现在高温和高应力环境下，氢化空位更易形成和聚集，进一步增加了相界的脆性。
这些结果说明了氢化空位对相界稳定性和性能的重要影响。
综上所述，本文通过第一性原理计算研究了镍基单晶高温合金γ/γ'相界中氢化空位的形成机理以及对相界性能的影响。
研究发现，氢化空位的形成能量和界面结构都受到配位环境的影响。
氢化空位的存在使得相界的结构和能量发生改变，并且对界面的扩散行为有一定影响。
镍基单晶高温合金研究进展
特约专栏
中国材料进展
MATERIALS CHINA
镍基单晶高温合金研究进展
Vol. 31 No. 12 Dec. 2012
孙晓峰，金 涛，周亦胄，胡壮麒
（ 中国科学院金属研究所，辽宁 沈阳 110016）
摘 要： 单晶高温合金因具有较高的高温强度、优异的蠕变与疲劳抗力以及良好的抗氧化性、抗热腐蚀性、组织稳定性和使
晶界强化元素，使合金的初熔温度提高，能够在较高温 度范围进行固溶处理，其强度比等轴晶和定向柱晶高温 合金大幅度提高，因而得到了广泛应用。自 20 世纪 80 年代 开 始，PWA1480、CMSX-2、CMSX-3、SRR99 等 第 一代单晶高温合金出现以来，单晶高温合金的研究取得 了突破性进展。随着合金设计理论水平的提高和铸造工 艺技 术 的 进 步，以 及 Re 元 素 的 添 加，相 继 出 现 了 以 PWA1484、CMSX-4、RenéN5 等为代表，耐温能力比第 一代单 晶 高 温 合 金 高 约 30 ℃ 的 第 二 代 单 晶 高 温 合 金［1 － 3］，和以 CMSX-10、RenéN6 等 为 代 表，耐 温 能 力 比第一代高约 60 ℃ 的第 三 代 单 晶 高 温 合 金［4 － 6］。近 年 来，通过添加 Ru，Pt，Ir 等元素，又发展出以 MC-NG、 TMS-138、TMS-162 等为代表的 第 四 代 和 第 五 代 单 晶 高
Cr 含量降低 在第三代单晶合金中，Cr 含量降至 5% （ 质量分数） 以 下，尤 其 是 CMSX-10 合 金 的 Cr 含 量 只有 3% （ 质量 分 数） 左 右。在 第 四 代 单 晶 合 金 MC-NG 中，Cr 含量也降到 4% （ 质量分数） 。
镍基高温合金中合金元素晶界偏析行为及其对晶界性能的影响
镍基高温合金中合金元素晶界偏析行为及其对晶界性能的影响镍基高温合金是一类具有优异高温力学性能的合金材料，在航空航天、能源等领域具有重要的应用价值。
而晶界是镍基高温合金中晶粒之间的分界面，其特性对合金的整体性能具有重要影响。
本文将探讨镍基高温合金中合金元素晶界偏析行为及其对晶界性能的影响。
首先，我们需要了解晶界偏析现象。
晶界是由不同晶粒的结合面组成，晶界处原子之间存在着不同的化学环境和缺陷。
在合金元素的作用下，晶界处的元素分布会发生偏离均匀分布的现象，这就是晶界偏析。
晶界偏析行为受多种因素影响，包括合金元素的种类、浓度、晶界能等。
其次，我们探讨晶界偏析对晶界性能的影响。
晶界偏析会引起晶界处的化学变化，导致晶界能量增加或减小。
晶界能量的变化会直接影响晶界的稳定性和力学性能。
例如，合金元素在晶界上的偏离行为可能会导致晶界能增加，从而降低晶界的稳定性。
此外，偏析元素还会影响晶界的扩散速率和位错活动程度，进而影响合金的变形行为和抗氧化性能。
晶界的稳定性是镍基高温合金中晶界性能的关键因素之一。
晶界能量的变化对晶界的疲劳裂纹扩展行为、晶界滑移和扩散等都有影响。
当晶界处存在着偏析元素时，晶界能量的变化会导致衍射位错的形成和运动，从而增加了晶界的应力集中程度，提高了晶界的屈服强度和断裂韧性。
此外，晶界偏析还对镍基高温合金的抗氧化性能产生影响。
晶界是合金中最容易发生氧化的部分，而偏析元素的存在会改变晶界化学成分，进而影响晶界处的氧化行为。
一些元素的偏源会明显降低晶界的抗氧化能力，导致合金在高温环境下的氧化速率加快。
为了降低晶界偏析的影响，我们可以考虑优化合金配方和加工工艺。
通过选择合适的合金元素和控制元素浓度，可以减轻晶界偏析现象的发生。
此外，采用适当的加工工艺，如热处理、变形处理等，也可以改善晶界的稳定性和性能。
综上所述，镍基高温合金中合金元素晶界偏析行为对晶界性能具有重要影响。
晶界偏析会导致晶界能量变化，进而影响晶界的稳定性、力学性能和抗氧化性能。
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镍基单晶高温合金γ-Ni-γ'-Ni3Al相界中合金元素偏析行为及其对相界热力学稳定性和断裂强度的影响
镍基单晶高温合金是一类在高温环境下应用广泛的材料，拥有优异的高温强度和抗氧化性能。
该类合金通常由γ-Ni基体和γ'-Ni3Al间质相构成。
然而，合金元素在γ/γ'相界中的偏析行为对合金的性能和稳定性具有重要影响。
γ/γ'相界是合金中重要的界面区域，其热力学稳定性和断裂强度直接影响着合金的整体性能。
过量的合金元素偏析会导致相界区域的化学成分不均匀，进而影响相界区域的力学性能。
因此，了解合金元素在相界中的偏析行为对于设计和开发镍基单晶高温合金至关重要。
在γ-Ni/γ'-Ni3Al相界中，几种主要的合金元素，如钨（W）、铌（Nb）和铝（Al），都存在偏析倾向。
这些元素在常温下主要弥散在γ-Ni基体中，但在高温下会向γ'-Ni3Al 间质相或两相界面偏聚。
根据研究发现，这种偏析行为与相界区域的能量状态密切相关。
以钨为例，其属于γ'-Ni3Al相中的强晶界偏析元素，添加适量的钨可以提高合金的断裂韧性；而过量的钨偏析则会导致相界区域的脆化，降低合金的强度和耐久性。
除了偏析行为的影响外，合金元素还可以通过改变相界区域的化学成分进而影响相界的热力学稳定性。
实验和模拟研究表明，钨的添加可以提高相界的热稳定性，减少相界二次相的析出，从而提高合金的高温强度和抗氧化性能。
然而，相界区域的化学成分也受到其他因素的影响，如固溶度限制和固相反应等，这些因素进一步增加了相界区域的复杂性。
总而言之，镍基单晶高温合金γ-Ni/γ'-Ni3Al相界中的
合金元素偏析行为对其热力学稳定性和断裂强度具有重要影响。
了解合金元素在相界中的偏析行为可以为合金的设计和开发提供重要的指导。
因此，在开发新的镍基单晶高温合金时，需要综合考虑合金元素的偏析行为，并通过合适的合金设计和热处理方法来控制相界区域的化学成分，从而实现材料的优良性能。
这将有助于推动镍基单晶高温合金在高温环境下的应用
综上所述，合金元素在镍基单晶高温合金γ-Ni/γ'-
Ni3Al相界中的偏析行为对合金的热力学稳定性和断裂强度起
着重要作用。
适量的合金元素可以提高合金的断裂韧性，而过量的元素偏析则会导致相界区域的脆化，降低合金的强度和耐久性。
同时，合金元素的添加还可以改变相界区域的化学成分，影响相界的热稳定性，从而提高合金的高温强度和抗氧化性能。
然而，相界区域的化学成分受到固溶度限制和固相反应等因素的影响，增加了相界区域的复杂性。
因此，在开发新的镍基单晶高温合金时，需要综合考虑合金元素的偏析行为，并通过合适的合金设计和热处理方法来控制相界区域的化学成分，以实现材料的优良性能。
这将有助于推动镍基单晶高温合金在高温环境下的应用。