Thermodynamic Analysis of γ and γ＇ Phases in New-Type Co- Based Superalloy

采用热力学分析方法,对新型钴基高温合金Co-Ni-Al-W-Cr多元系中γ′相的析出规律进行了研究,分析了合金元素Ni,Al,W在γ和γ′相间的分配行为,阐述了Ni在γ和γ′相间的分配系数对合金强化效果的影响规律.结果表明：合金元素Ni明显提高γ′相热力学稳定性,随Ni含量的增加,γ′相的成分范围扩大,定存在温度提高,说明Ni有利于提高Co-Al-W基高温合金的高温性能;计算分析了合金元素在γ和γ′相间分配行为及其对合金强化的影响规律.探明Co-Ni-Al-W-Cr合金中x（Al）/x（W）对合金元素Ni的分配系数KγN′i/γ影响较大,当Al,W原子分数比值为2.60时,KγN′i/γ达到最大.所获结果为研发新型钴基高温合金提供了数据支持.     

合金元素对新型镍基粉末高温合金的热力学平衡相析出行为的影响

通过热力学平衡相计算方法,系统研究了某新型镍基粉末高温合金时效温度下合金元素对热力学平衡相析出行为的影响.计算结果表明:René104合金析出的主要平衡相为γ′、MC、M23C6、M3B2和TCP相.Cr和Co含量主要影响TCP相的析出行为及γ′相的析出温度,Cr含量对M23C6和M3B2的析出行为有一定的影响,Cr的建议质量分数为13%;Mo和W含量影响TCP相和M3B2的析出行为.质量比Al/Ti和Nb/Ta影响γ′相的析出行为,建议控制Al/Ti和Nb/Ta比平衡,以使γ′相起到理想的强化效果.C和B含量显著影响碳化物和硼化物的析出量,还可间接抑制TCP相析出;Zr含量对MC和M23C6碳化物的析出有影响;增Co降Cr和调节合金元素含量以获得小的点阵错配度是第3代涡轮盘用粉末冶金高温合金成分优化设计的趋势.     

Co-Al-W三元合金热处理组织

研究不同Al和W含量对四种Co-Al-W三元合金的初熔温度、热处理组织和硬度的影响. 结果表明:四种Co-Al-W三元合金的固、液相点温度均超过镍基单晶高温合金液相点温度;在1300℃/8h固溶处理后,三种合金均仅得到γ(fcc)单相组织,而高W合金在晶界和晶内均有μ相Co7W6析出;在800℃/100h和900℃/50h时效处理后,四种合金在基体γ相中均析出L12型γ′相Co3(Al,W),其γ+γ′两相组织形貌与镍基高温合金相似;高W(12%)和高Al(12%)合金分别促进了μ相Co7W6和富Al相析出. 综合以上结果并结合时效合金的硬度结果,初步确定了含γ+γ′两相组织的合金成分范围.     

K411合金高温强度的研究

K411 合金含有较多的W,Mo,Nb 等难溶金属元素。这些元素溶入γ′相和合金基体γ,提高了原子间结合力,从而强化了γ′相;同时难溶金属的 d 电子层被部分填充,提高了固溶体的空位形成能,降低了元素扩散系数,并增加了模量差和尺寸错配效应,进一步强化了固溶体。上述两个原因使 K411 合金有较高的高温强度,达到含 Co 合金M-M200水平。     

堆垛层错能与反应力蠕变理论在第二相强化高温合金中的应用

在第二相强化的多元高温合金稳态蠕交速率方程的基础上,考虑了堆垛层错能与反应力蠕变理论,进而提出了一个新的稳态蠕变速率普遍式: 根据对Ni—Co二元合金,γ′相强化和氧化物弥散强化的镍基高温合金、以及γ′相含量不高不同含Co量的镍基高温合金(Waspaloy)和高γ′相含量的不同含Co量的镍基高温合金(Udimet 700)的蠕变进行验证,说明作者提出的稳态蠕变速率方程是可行的。     

γ'-(Ni1-xCox)3Al1-yTiy合金的力学性能的第一原理研究

通过密度泛函理论计算,研究了γ′-(Ni1-xCox)3Al1-yTiy(0x1,0.05y0.25)合金体系。合金体系的组分无序性采用相干势近似处理。分析合金在任意化学配比下Ti(5-25at.%),Co(0-100at.%)元素对合金力学性能、磁性以及相稳定性的影响。结果表明:随着Ti含量增加,晶格膨胀,弹性常数增大,形成焓降低,使L12结构更加稳定。Al位的Ti组分增加可以提高剪切模量和杨氏模量,Co组分增多会降低二者的数值。计算结果表明Co元素增强合金延展性,Ti元素增强L12相的稳定性。     

Waspaloy合金碳化物和γ′相析出规律的热力学计算

利用热力学计算软件Thermo-Calc对Waspaloy合金中可能析出的平衡相以及元素含量变化对其影响进行了计算分析. 结果表明:碳含量的增加可以明显地提高碳化物的析出量,但对碳化物的析出温度的影响较小;γ′的析出量和析出温度均随Al、Ti含量的增加而增加,Al的影响尤为明显;Ti是MC的主要形成元素,Ti含量的增加可以提高MC的析出量,但对其析出温度无太大影响;M23C6的析出量不受Cr含量的影响,而析出温度却随着Cr含量的增加而提高.     

L1_2结构γ′-Co_3(Al_(1-x)W_x)相的弹性性质和热力学性质的第一性原理研究

采用第一性原理方法并结合准简谐德拜模型,系统研究了W原子分数对Co基高温合金中γ′-Co_3(Al_(1-x)W_x)(x=0,0.25,0.50,0.75,1.0)相的弹性性质和热力学性质的影响.研究发现随W原子分数的升高,γ′-Co_3(Al_(1-x)W_x)相的弹性模量显著提高,而弹性各向异性的程度明显降低,同时γ′-Co_3(Al_(1-x)W_x)相由延性材料向脆性材料过渡转变.通过分析电荷密度和态密度的计算结果,发现随W原子分数的增大,Co和W之间共价键的结合强度呈现增大的趋势,并且Co原子间的电荷密度分布逐渐由各向异性向各向同性过渡转变.在有限温度下,随W原子分数的升高,γ′-Co_3(Al_(1-x)W_x)相的热容、热膨胀系数和焓均减小.     

75%La(Ni_(0.85)Co_(0.15))_(5-x)(Mn_(0.4)Al_(0.3))_x+12.5%Mg_2Ni(x=0,0.3,0.6)合金储氢性能研究

利用高频感应熔炉制备摩尔比率为75%La(Ni0.85Co0.15)5-x(Mn0.4Al0.3)x+12.5%Mg2Ni(x=0,0.3,0.6)合金,测试合金的储氢性能,分析Mn、Al元素组合对合金储氢性能的影响。结果发现,合金均由多相组成,其中主相分别是CaCu5型的LaNi5相和PuNi3型的(La,Mg)Ni3相。随着元素(Mn,Al)含量增大,合金电极的循环稳定性有一定的改善,80次循环放电容量保持率从x=0时的59.1%提高到x=0.6时的74.5%。     

Al元素对一种增材制造镍基高温合金显微组织和拉伸行为的影响

为了明晰Al元素在增材制造镍基高温合金过程中对组织和性能的影响，通过激光金属沉积方法制备了不同Al含量的样品，分析了其显微组织以及拉伸行为的影响.结果表明：随着w(Al)增大(3%～5%),γ/γ′共晶、碳化物等析出相以及组织中裂纹等缺陷逐渐增加并在w(Al)=7%时达到最大，由高熔点碳化物钉扎在晶界和低熔点共晶重熔分别导致的凝固裂纹和液化裂纹大量形成.合金强度随着Al元素的增加先增后降，w(Al)=4%时达到最高，归因于γ′相的尺寸和立方度不断增加，阻碍位错的运动.而w(Al)=5%时性能下降归因于已有热裂纹、碳化物以及共晶含量的增加.     

GH220合金中γ′强化相

研究了GH220化学成分及含量,γ′析出倾向性及晶体结构、错配度、合金元素对γ′量的影响以及γ′的形态、尺寸、长大规律。     

Ni-Al-B高温形状记忆合金的显微组织和相组成

用光学显微镜、扫描电子显微镜、X—射线衍射仪及能谱仪研究了 Ni— Al—B系高温形状记忆合金的显微组织和相组成 ,结果表明 :合金的铸态室温组织由β相 ,L1 0 马氏体 ,γ′相及γ相组成 .β相呈枝晶形态 ;L1 0 马氏体呈片状 ;γ′相在枝晶间呈不规则形状 ,而在 β相内呈麦穗状 ;γ相与枝晶间 γ′相呈离异共晶组织     

亚固溶温度热处理对GH720Li难变形高温合金γ′相的影响

对难变形镍基高温合金GH720Li进行了亚固溶处理、亚固溶+单时效(650℃,24 h→空冷)或双时效处理(650℃,24 h→空冷+760℃,16 h→空冷)以及870℃时效3000 h条件下γ′相演变规律的研究.发现一次γ′相受亚固溶处理影响较大,发生部分回溶的程度随固溶温度升高而增大,时效处理使一次γ′相向球形或近球形转变;二次和三次γ′相在亚固溶保温过程中完全回溶,在时效处理时补充析出明显且析出数量和区域随固溶温度升高而增大;870℃长期时效时,合金组织逐渐均匀,二次和三次γ′相完全回溶,晶界一次γ′相时效500 h后有所粗化,合金硬度先降低而后保持不变.     

NiAl等合金在Li2CO3-K2CO3中的电化学腐蚀

研究了 Ni Al金属间化合物、GH2 17高温合金、1Cr18Ni9Ti不锈钢在 6 5 0℃ L i2 CO3- K2 CO3熔盐中的阳极极化行为 .结果发现 :Ni Al在 L i2 CO3- K2 CO3熔盐中有活化、钝化、过钝化几个阶段 .用俄歇能谱 AES分析了合金钝化膜的组成 .发现在 L i2 CO3- K2 CO3熔盐中 Ni Al中的 Al先被氧化 ,接着其中的 Ni被氧化 .L i2 CO3- K2 CO3中 Ni Al有良好的抗腐蚀性 .     

FGH95合金再结晶界面与晶内析出γ′相的作用

研究了高体积百分数γ＇相强化的粉末镍基高温合金在形变过程中发生再结晶行为。实验表明:在γ＇相溶解温度以上再结晶以应变诱发界面迁移方式进行。在γ＇溶解温度以下,γ相再结晶以亚晶粒粗化形核方式进行。在γ相再结晶的内界面上可能发生γ＇相的分解和随后的再析出。计算了γ相再结晶内界面迁移激活能为635kJ/mol     

铪对FGH97合金平衡相影响的评估

利用材料相图计算和材料性能模拟软件JMatPro,计算了粉末高温合金FGH97热力学平衡相及相组成,研究了不同Hf含量对平衡相和相组成的影响,并结合物理化学相分析实验和显微组织观察进行了验证分析,进而揭示FGH97合金在750℃下各相析出和Hf在相间分配的规律,认清Hf在FGH97合金的作用.结果表明:FGH97合金在750℃下的平衡相包括γ、γ’、MC、M23C6、M3B2和μ相,Hf主要存在于γ’和MC相中,并且随着Hf含量的增大,Hf在γ’和MC相中分配不同.     

NiCoCrAlYTa粘结层与镍基高温合金基体的界面高温互扩散行为

采用真空等离子体喷涂技术(vacuum plasma spraying, VPS)在镍基高温合金GH3128基体表面沉积NiCoCrAlYTa粘结层,并在1 100 ℃进行不同时间的热处理。采用扫描电子显微镜（scanning electron microscopy,SEM）、能谱仪（energy dispersive spectrometer,EDS）等分析NiCoCrAlYTa粘结层与GH3128高温合金界面元素的互扩散行为。结果表明,在热处理过程中,互扩散区(interdiffusion zone,IDZ)和二次反应区(secondary reaction zone,SRZ)的厚度随着热处理时间延长而增大,且在SRZ中明显观察到拓扑密堆(topological close-packed,TCP)相晶粒的生长。Al、Ta、Co元素由NiCoCrAlYTa粘结层向GH3128高温合金扩散,Ni、W、Mo元素由GH3128高温合金向NiCoCrAlYTa粘结层扩散。依据EDS检测的粘结层/基体界面处元素成分,计算出上述元素在界面处的扩散系数,掌握了各元素在高温热处理过程中的扩散速率,揭示了VPS制备的NiCoCrAlYTa粘结层与GH3128高温合金界面处元素在高温下的互扩散规律。     

电弧离子镀(Ti,Cr)N硬质薄膜的成分、结构与硬度

用Bulat6型电弧离子镀设备在高速钢表面沉积合成(Ti,Cr)N硬质薄膜。通过改变分离靶弧电流的配置来调节薄膜成分，制取了x=0.62-0.83的（TixCr1-x)N薄膜；考察了薄膜的成分、结构与硬度间的相互关系，明确了Cr在TiN基薄膜中使硬度提高的合金强化作用；结合元素周期律中的基本性质和热力学特征，讨论了Ti,Cr两种元素在（Ti,Cr)N薄膜的相结构（fcc)形成与合金强化中的作用。     

DD402/FGH95扩散偶中单晶合金γ′相筏形化与其形成元素的扩散

通过研究不同温度时热等静压(HIP)多元扩散偶DD402/FGH95中的Al,Ta和Ti元素的扩散规律，发现DD402单晶中存在Al和Ta元素的上坡扩散．因此单晶中在近结合界面处形成了Al ,Ta和Ti元素的富集区以及γ′相的筏形化．对Al和Ta元素的扩散流量及扩散深度进行计算．计算结果与试验结果相吻合．     

一种单晶高温合金中g?相的析出行为

研究了固溶冷却速度和时效时间对一种镍基单晶高温合金中γ′相的析出的影响。合金经1 250℃固溶处理4 h,从炉中快速取出,分别进行空冷、油冷和水冷,以考察冷却速度对γ′相析出的影响。随后对固溶处理后试样进行时效处理,以考察时效时间和固溶冷却速度对γ′相长大的影响。结果表明,合金在固溶处理后,γ′相尺寸随固溶冷却速率的升高而下降。在时效处理时,γ′相尺寸的增大率随固溶冷却速度的增大而减小;随着时效时间的增加,γ′相的尺寸增加。