高温合金专刊2016-2017

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1. DD5单晶高温合金大间隙钎焊的组织演变与界面形成机制*
孙元,刘纪德,侯星宇,王广磊,杨金侠,金涛,周亦胄
金属学报    2016, 52 (7): 875-882.   doi:10.11900/0412.1961.2015.00622
录用日期: 2016-04-29

摘要43)   HTML2)    PDF (1174KB)(512)   

采用新型Ni-Co-Cr-W-B+DD99混合粉末钎料焊接DD5单晶高温合金, 分析钎料成分对接头显微组织演变和接头力学性能的影响, 探讨Ni-Co-Cr-W-B钎料/DD99合金粉的界面形成机制与接头形成机理. 结果表明, 在钎焊过程中, Ni-Co-Cr-W-B钎料/DD99合金粉的界面上首先形成了γ-Ni初生相, B偏析并析出细小颗粒状的M3B2 型硼化物, 在冷却过程中残余液相形成块状M3B2相、γ+γ′共晶相和γ-Ni+Ni3B+CrB共晶相. 提高混合粉末钎料中DD99合金粉的配比, 可有效抑制焊缝中的硼化物和低熔点共晶相的形成, 提高焊缝成分和组织均匀性. 当DD99合金粉的配比增加至70% (质量分数)时, B可均匀扩散至DD5母材和DD99合金粉中, 未观察到低熔点共晶相, 界面处脆性化合物相显著减少, 接头高温性能提高. 接头经过固溶处理和时效处理后, 在870 ℃的高温拉伸性能可提高至1010 MPa.

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2. 镍基高温合金定向凝固过程中的汇聚型双晶竞争生长*
胡松松,刘林,崔强伟,黄太文,张军,傅恒志
金属学报    2016, 52 (8): 897-904.   doi:10.11900/0412.1961.2015.00631
录用日期: 2016-05-10

摘要45)   HTML1)    PDF (1516KB)(346)   

采用籽晶法控制晶体取向, 研究了不同抽拉速率下镍基高温合金汇聚型双晶的竞争生长. 结果表明, 低抽拉速率下, 非择优枝晶能够穿插进入择优枝晶间的液相通道, 抑制择优枝晶的生长, 使晶界向择优晶粒方向偏移. 高抽拉速率下, 非择优枝晶几乎全部被晶界择优枝晶阻挡, 晶界与择优枝晶干平行. 非择优枝晶进入择优枝晶间的液相通道使择优枝晶萎缩消失是非择优晶粒淘汰择优晶粒的主要因素, 并以此提出了抽拉速率对竞争生长的影响机制.

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3. Inconel 718高温合金中析出相演变研究进展*
刘永长, 郭倩颖, 李冲, 梅云鹏, 周晓胜, 黄远, 李会军
金属学报    2016, 52 (10): 1259-1266.   doi:10.11900/0412.1961.2016.00290
录用日期: 2016-09-05

摘要124)   HTML15)    PDF (1049KB)(1615)   

Inconel 718高温合金广泛应用于航空、航天、电力和国防等领域中复杂金属结构构件的制造, 其高温抗疲劳性能和蠕变持久强度与成形加工过程中微观组织的演变密切相关. 以往的研究侧重于镍基合金热加工(如定向凝固、热处理、锻造和焊接等)工艺参数的优化, 较少从析出相控制的角度来阐明冷轧、热变形、焊接等工艺与高温服役性能之间的内在联系. 本文介绍了该合金中不同类型的析出相, 包括: 主要强化相(γ'' 相)、辅助强化相(γ' 相)、γ'' 相的平衡相(δ相), 以及MX型碳氮化物和Laves相; 论述了镍基合金制备过程中不同类型析出相的析出机制及其对合金高温性能的影响; 指出了镍基合金高能电子束焊接过程中, 焊接热影响区微裂纹形成的影响因素.

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4. 基于微观组织演变的DZ125定向凝固高压涡轮叶片服役温度场的评估方法研究*
陈亚东, 郑运荣, 冯强
金属学报    2016, 52 (12): 1545-1556.   doi:10.11900/0412.1961.2016.00170
录用日期: 2016-10-18

摘要40)   HTML5)    PDF (9498KB)(502)   

以服役900 h的DZ125合金叶片为研究对象, 通过对叶片服役前后的枝晶干、枝晶间、晶界及碳化物各类组织退化行为的研究, 确定了枝晶干γ’相的体积分数作为反映服役温度的可量化表征参量. 结合叶片用DZ125合金在900~1100 ℃下显微组织的演变行为, 研究了热暴露温度与枝晶干γ’相体积分数之间的量化对应关系. 在此基础上, 提出了一种基于显微组织的涡轮叶片服役温度的实验评估方法. 同时, 分别假设叶片服役温度恒定以及考虑叶片实际服役温度变化2种情况, 实现了对等效平均服役温度(Tave)及等效最高服役温度(Tmax)的定量评估. 评估结果表明: 叶片叶身中部服役温度最高, 由叶身中部向叶尖和叶根服役温度逐渐降低; 同一截面服役温度由高到低依次为: 进气边>叶盆>排气边>叶背; 服役温度最高的区域为叶身中部截面的进气边, 服役时经历的等效最高服役温度为1050~1100 ℃. 叶片等效平均服役温度及等效最高服役温度的分布规律一致, 但部分部位的等效最高服役温度高于等效平均服役温度, 本研究认为叶片的等效最高服役温度的评估结果更为合理.

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5. W对第三代镍基单晶高温合金组织稳定性的影响
王博,张军,潘雪娇,黄太文,刘林,傅恒志
金属学报    2017, 53 (3): 298-306.   doi:10.11900/0412.1961.2016.00379
摘要14)   HTML2)    PDF (6712KB)(931)   

通过对3种不同W含量(6%、7%、8%,质量分数)的第三代镍基单晶高温合金铸态、热处理态和热暴露后的组织观察和成分分析,研究了W对元素偏析、热处理组织及热暴露过程中组织演化的影响。结果表明:W含量的提高对合金元素的铸态偏析、完全热处理后的γ′相形貌、尺寸和体积分数均无明显影响。在950 ℃热暴露过程中,W含量的提高抑制了γ′相的粗化,但加速了γ′相的连接变形。3种合金在热暴露过程中析出的TCP相主要为μ相和σ相,且TCP相析出量随W含量的增加而缓慢增大。此外,3种合金在1000 ℃热暴露时TCP相析出量最大,在950 ℃热暴露时次之,在1050 ℃热暴露时析出量最小。

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6. Ru对一种高Cr镍基单晶高温合金凝固组织的影响
宁礼奎,佟健,刘恩泽,谭政,纪慧思,郑志
金属学报    2017, 53 (4): 423-432.   doi:10.11900/0412.1961.2016.00291
摘要44)   HTML3)    PDF (10721KB)(1150)   

以一种新型高Cr镍基单晶高温合金为基础,调整Ru的添加量,通过对3种不同Ru含量合金铸态组织的观察,研究了Ru对合金相析出特征与元素分布规律的影响。结果表明,随着Ru含量(0、1.5%、3%,质量分数)的增加,合金一次枝晶间距与二次枝晶间距逐渐减小,(γ+γ′)共晶含量先增后降,γ′相尺寸逐渐变小;3%的Ru添加使合金凝固组织中析出β-NiAl相,该相除Ni、Al基本组成元素外,还包含一定量的Cr、Co和Ru;Ru对合金中其它元素具有典型的“逆分配”作用,β-NiAl相的析出降低了Ru对其它元素“逆分配”的影响程度;Ru提高了正偏析元素Ta、Al和负偏析元素Re的偏析程度,降低了正偏析元素Mo、Cr的偏析程度。

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7. 一种高硼定向凝固合金的初熔行为及其对力学性能的影响
张洪伟,秦学智,李小武,周兰章
金属学报    2017, 53 (6): 684-694.   doi:10.11900/0412.1961.2016.00495
录用日期: 2017-04-01

摘要79)   HTML14)    PDF (19817KB)(646)   

系统研究了高硼DZ444定向凝固合金的初熔行为及其对力学性能的影响。结果表明,在铸态合金中,枝晶间包含大量γ/γ′共晶、MC碳化物和由硼化物、Ni5Hf及η相组成的“团聚相”。在固溶处理期间,团聚相周围受硼化物显著影响的γ基体首先发生初熔。硼化物不是初熔的形核点,但是对初熔的形成具有关键作用。较高的B含量,使得合金具有较低的初熔温度,介于1160~1170 ℃之间,明显低于正常合金。提升温度或延长保温时间,初熔现象变得更加严重。采用水淬方式,初熔倾向于凝固为典型的γ枝晶和大量细小的沉淀相颗粒;而采用空冷方式时,初熔依次凝固为团聚相、γ基体和γ/γ′共晶相,团聚相形貌与铸态时没有明显差异。完整热处理时,固溶温度由1210 ℃提升到1230 ℃,初熔略微增加,而当温度达1250 ℃时,初熔区尺寸和面积分数剧烈增大,对合金造成严重破坏。由于温度较低,合金的高、低温时效对初熔组织影响不是很大。随着初熔区尺寸和面积分数增加,初熔区消耗了大量的固溶强化元素,同时初熔区内部易萌生大量微裂纹,从而使合金的拉伸性能稍有下降,持久性能显著降低。

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8. 形变诱导GH3625合金热挤压管材δ相的析出行为
丁雨田,高钰璧,豆正义,高鑫,刘德学,贾智
金属学报    2017, 53 (6): 695-702.   doi:10.11900/0412.1961.2016.00508
录用日期: 2017-02-17

摘要46)   HTML0)    PDF (6704KB)(1007)   

采用XRD、SEM、EDS和Image-Pro Plus金相分析等方法测定了GH3625合金热挤压管材在不同冷变形量ε下经过800 ℃时效后δ相的析出含量,研究了冷变形对δ相的析出规律及析出动力学的影响。结果表明,δ相首先在形变孪晶界、晶界以及变形带上形核并析出,随后在晶内形核长大,并且随冷变形量的增加,δ相在变形带上析出量增加;随冷变形量的增加,δ相的形貌从针状向棒状或颗粒状转变;随着时效时间的延长,δ相的平均尺寸不断增大,长大规律符合LSW理论。当时效温度为800 ℃时,δ相的析出含量与时效时间的关系满足Avrami方程,且随冷变形量的增加,δ相的含量增加,时间指数n减小,δ相析出速率α增加,冷变形促进δ相的析出。Nb的溶质拖曳与δ相的钉扎共同作用抑制晶粒长大。ε=35%时,合金的硬度随保温时间的延长而增加,ε≥50%时硬度未发生明显变化。

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9. 重熔工艺对K452合金高温拉伸性能的影响
杨金侠,徐福涛,周动林,孙元,侯星宇,崔传勇
金属学报    2017, 53 (6): 703-708.   doi:10.11900/0412.1961.2016.00286
录用日期: 2017-03-16

摘要37)   HTML3)    PDF (3849KB)(2101)   

采用不同重熔工艺制备K452合金试样, 测试试样在900 ℃下的拉伸性能。结果表明:当浇注温度为1430 ℃时, 试样的抗拉强度从410 MPa变化到 510 MPa,延伸率从 3.5% 变化到 22.0%,实验数据较分散;试样中O和N平均含量较高,尤其N含量达0.0028%之多;断口上存在大量疏松。当浇注温度提高到1500 ℃时,拉伸性能得到提高,试样中O和N的平均含量有所降低,断口上疏松减少。当合金经过1590 ℃保温5 min的高温净化处理,浇注温度仍为1500 ℃时,试样的拉伸性能大幅度提高,O和N的平均含量明显降低,断口上没有观察到疏松,实验数据具有较好的一致性。

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10. 添加N对Inconel 690合金显微组织和晶界微区成分的影响
陈波, 郝宪朝, 马颖澈, 查向东, 刘奎
金属学报    2017, 53 (8): 983-990.   doi:10.11900/0412.1961.2016.00545
录用日期: 2017-06-14

摘要78)   HTML3)    PDF (938KB)(663)   

采用SEM和TEM研究了4种不同N含量的Inconel 690合金经1080 ℃、10 min固溶及715 ℃热处理后的显微组织演变和晶界微区元素分布,同时测量了合金的层错几率和晶间腐蚀速率。结果表明,相同热处理后,不同N含量Inconel 690合金的晶界M23C6碳化物析出形貌和晶界Cr贫化存在明显差异。随N含量增加,碳化物数量减少,晶界碳化物由连续分布转变为半连续分布,继而转变为离散分布。随N含量增加,Inconel 690合金层错几率先增加,在N含量为100×10-6时达到最大值,随后层错几率降低。此外,N的加入缓解了晶界Cr贫化,提高了合金抗晶间腐蚀能力;但过高N含量导致较多氮化物夹杂。综合考虑,N含量在100×10-6较为适宜。

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11. Re对一种定向凝固镍基高温合金微观组织的影响*
张思倩,王栋,王迪,彭建强
金属学报    2016, 52 (7): 851-858.   doi:10.11900/0412.1961.2015.00600
录用日期: 2016-03-21

摘要52)   HTML0)    PDF (1805KB)(483)   

采用SEM, EPMA和TEM等技术对不含Re (0Re)和含2%Re (2Re)的定向柱晶高温合金铸态和热处理态组织进行了系统的研究. 结果表明: Re促进了铸态共晶外围和晶界上μ相的析出; 合金热处理后, Re明显促进了MC碳化物周围和晶界上相的析出, 0Re合金MC碳化物周围只有少量的M6C相析出, 晶界上有细小的M23(C, B)6硼碳化物析出, 而2Re合金MC碳化物周围和晶界上都有大量块状μ相析出, μ相的析出促进了γ′包层的形成. 0Re合金中B元素明显偏聚于晶界, 而2Re合金中B元素分布相对比较均匀. 并对热处理过程中μ相的析出机制进行了深入分析.

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12. 第二、三代镍基单晶高温合金含Hf过渡液相连接*
郁峥嵘,丁贤飞,曹腊梅,郑运荣,冯强
金属学报    2016, 52 (5): 549-560.   doi:10.11900/0412.1961.2015.00408
录用日期: 2016-01-05

摘要44)   HTML4)    PDF (2138KB)(556)   

采用无B的含Hf镍基合金作为中间层合金, 分别对含Re的第二代镍基单晶高温合金 (CMSX-4, 铸态) 和第三代镍基单晶高温合金(SXG3, 完全热处理态)进行过渡液相(TLP)连接, 并分析了连接区的显微组织演变以及降熔元素分布, 测试了连接区的显微硬度. 结果表明, 在1290 ℃真空保温24 h后, CMSX-4和SXG3合金的TLP连接均已完成, 2种合金的TLP连接过程也均符合经典模型. 以含Hf的镍基合金作为中间层合金时, 在连接区内没有出现扩散影响区. CMSX-4合金的固溶处理可在TLP连接过程中同步完成, 缩短了热处理工艺. SXG3合金中的C与Hf结合在液相中形成固相HfC, 降低熔体中Hf浓度, 缩短了等温凝固阶段的时间. 研究表明, 通过含Hf的TLP连接可以研究小角度晶界的界面稳定性, 其中在1150 ℃保温热处理后, SXG3合金小角度晶界出现不连续脱溶转变的临界区间在10°~17°之间.

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13. Re和W对铸态镍基单晶高温合金再结晶的影响*
濮晟,谢光,王莉,潘智毅,楼琅洪
金属学报    2016, 52 (5): 538-548.   doi:10.11900/0412.1961.2015.00456
摘要54)   HTML3)    PDF (1916KB)(303)   

对不同Re和W含量的铸态镍基单晶高温合金通过Brinell硬度计压痕变形, 分别在1230~1330 ℃保温1 h, 研究了难熔元素Re和W对合金再结晶行为的影响. 结果表明, 再结晶晶粒在压痕表面形成, 并沿枝晶干向内扩展, 晶界迁移受到枝晶间粗大γ'相和γ +γ'共晶阻碍. 添加Re和W提高了铸态单晶高温合金的γ'相溶解温度和γ +γ'共晶含量, 导致单晶高温合金的再结晶温度升高. 热处理温度升高, 各单晶高温合金的再结晶面积随着枝晶间γ'相和共晶含量的减少而增大. 相同热处理温度下, 由于不同成分单晶高温合金枝晶间粗大γ'相和γ +γ'共晶含量不同, 不含难熔元素Re和W的单晶高温合金再结晶面积最大, 含Re单晶高温合金的再结晶面积大于含W单晶高温合金, 同时添加Re和W的单晶高温合金再结晶面积最小.

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14. 铸造镍基高温合金中初生MC碳化物的退化过程和机理*
孙文,秦学智,郭建亭,楼琅洪,周兰章
金属学报    2016, 52 (4): 455-462.   doi:10.11900/0412.1961.2015.00399
录用日期: 2016-01-25

摘要41)   HTML2)    PDF (1328KB)(505)   

采用OM, SEM和TEM及其HAADF模式下的元素面扫描, 研究了一种铸造镍基高温合金长期时效期间初生MC碳化物的分解反应过程、形式及机理.结果表明, 在长期时效过程中, 初生MC分解反应分为3个阶段: MC+γM6C + γ′, MC+γM6C + M23C6+γ′MC+γM6C + M23C6+η.HAADF模式下对分解区域进行元素面扫描, 浓度梯度显示初生MC分解实际上是元素在初生MC和γ基体之间的互扩散交流过程, 分解产物中的C主要来源于初生MC, Ni, Al和Cr来源于γ基体, 而Ti, W和Mo不仅源于γ基体也源于初生MC. 合金具有较高的Ti+Nb+Ta+Hf原子分数和(Ti+Nb+Ta+Hf)/Al原子比是初生MC分解过程中析出η相的必要条件, 而其析出的数量与初生MC的分解程度有关, 分解程度越高, 析出数量越大.

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15. 拓扑密堆μ相对含Hf的镍基粉末高温合金组织和性能的影响*
张义文,胡本芙
金属学报    2016, 52 (4): 445-454.   doi:10.11900/0412.1961.2015.00389
摘要31)   HTML0)    PDF (1349KB)(360)   

研究了含Hf (0~0.89%)的FGH4097粉末高温合金中拓扑密堆μ相的析出动力学、组织形态以及μ相对Hf含量为0.30%的合金盘坯力学性能的影响. 结果表明, Hf含量为0.30%和0.89%的合金, 经750~900 ℃长期时效后μ相已明显析出. 随着时效温度的升高、时效时间的延长以及Hf添加量的增加, μ相析出量增加且尺寸长大. μ相主要在晶内以长条片状形态析出. Hf含量为0.30%的FGH4097合金盘坯在550~650 ℃长期时效后未出现μ相, 高温拉伸性能和高温持久性能没有降低, 组织稳定性良好. 750 ℃长期时效后, 盘坯中析出了μ相, 析出的μ相对高温拉伸强度无明显影响, 有助于提高高温拉伸塑性, 降低了高温持久寿命, 高温持久塑性提高约30%. 详细讨论了μ相的析出行为、γ固溶体中合金元素的再分配以及合金断口特征. 解释了μ相对力学性能影响的脆-韧双重作用机理, 并提出控制和避免μ相大量析出造成性能劣化的措施和方法.

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16. 定向凝固的复杂形状高温合金铸件中的雀斑形成*
马德新
金属学报    2016, 52 (4): 426-436.   doi:10.11900/0412.1961.2015.00379
摘要49)   HTML1)    PDF (1300KB)(445)   

通过实施工业条件下的定向凝固实验, 对复杂形状的高温合金铸件中的雀斑进行了检测和分析, 揭示了这种凝固缺陷产生的几个新特点. 结果表明, 雀斑易于产生在铸件的棱角部位而不是平滑表面上, 称之为棱角效应; 铸件外形台阶式地突然扩张和缩小会分别抑制和促进雀斑形成, 称之为台阶效应; 雀斑易于产生在向内倾斜而不是向外倾斜的铸件表面上, 称之为斜面效应; 叶片曲率为正的外凸曲面出现严重的雀斑缺陷, 而曲率为负的内凹曲面却毫无雀斑, 此现象称之为曲率效应. 实验中还发现雀斑不但出现在铸件的外表面, 插入型芯也会诱导铸件内部雀斑的产生, 这说明糊状区的液体流动具有强烈的附壁效应, 不管这种壁面是处在铸件外部还是内部. 通过分析可以确认, 正是这种附壁效应在各种具体形状特征下发挥作用, 导致了上述关于雀斑生成的各种效应.

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17. In718晶粒尺寸对超声背散射信号的影响及其无损评价方法*
宋永锋, 李雄兵, 吴海平, 司家勇, 韩晓芹
金属学报    2016, 52 (3): 378-384.   doi:10.11900/0412.1961.2015.00367
摘要37)   HTML2)    PDF (3253KB)(270)   

制备晶粒尺寸不同的In718合金试样, 采用经验模态分解(EMD)研究超声背散射信号的时频域特征, 分析晶粒尺寸对不同频段固有模态函数(IMF)的影响, 并探求各IMF信号的功率与晶粒尺寸之间的相关性. 结果表明, 原始背散射信号和IMF1信号的频带宽受晶粒尺寸变化影响均不显著; IMF2信号频域分布较为集中, 峰值频率的幅值随晶粒的增大而增大, 其功率与晶粒尺寸相关系数达0.995, 显著高于其它模态, EMD过程实质上滤除了与晶粒尺寸无关的成分. 以充分反映晶粒散射强度的IMF2成分作为晶粒尺寸评价的特征信号, 建立面向In718晶粒尺寸的超声背散射EMD评价模型. 晶粒尺寸实测结果显示, 本方法的灵敏度是传统背散射法的3.7倍; 对2个验证试样的评价误差分别为-3.72%和2.87%, 精度显著高于声速法; 与衰减法相比, 本方法无需厚度信息, 评价结果不受测厚误差的影响; 此外, 相比于金相法具有效率高及无需破坏待测件的优势.

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18. K416B镍基铸造高温合金的700 ℃高周疲劳行为*
谢君, 于金江, 孙晓峰, 金涛
金属学报    2016, 52 (3): 257-263.   doi:10.11900/0412.1961.2015.00281
摘要39)   HTML0)    PDF (9879KB)(499)   

通过高周疲劳性能测试和组织形貌观察, 研究了K416B镍基高温合金700 ℃的高周疲劳行为. 结果表明, 在700 ℃和应力比R=-1条件下, 合金疲劳寿命随着应力的升高而减小, 高周疲劳强度为175 MPa; 在低应力条件下, 形变位错在γ基体中发生不同取向滑移, 随着应力增加, 位错剪切γ'相, 形成层错; 在拉压高周疲劳期间, 合金中开动多个滑移系, 并沿不同方向发生扭曲变形, 在γ +γ'共晶及碳化物附近产生应力集中, 致使裂纹源萌生于合金表面附近的共晶及块状碳化物处. 随着高周疲劳进行, 裂纹在扩展区沿枝晶间扩展, 并在瞬断区发生典型的解理断裂.

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19. 一种抗热腐蚀铸造镍基高温合金中σ相的析出及回溶*
侯介山,郭建亭,袁超,周兰章
金属学报    2016, 52 (2): 168-176.   doi:10.11900/0412.1961.2015.00358
摘要32)   HTML2)    PDF (10914KB)(176)   

研究了不同热处理条件下σ相的回溶规律及其对合金持久性能的影响. 研究发现, 在800~900 ℃范围内经过最长1×104 h时效后, 合金中产生的σ相率先在枝晶干的M23C6碳化物附近形成, 之后扩展到枝晶间; 随着时效温度的升高, σ相形成速度加快, σ相形核的孕育时间缩短. 激活能计算结果对比表明, σ相形成初期与Co, Cr的扩散相关, 稳态阶段与Mo的扩散相关; 长期时效后合金在1000~1170 ℃固溶时, σ相都可以回溶到基体, 且固溶温度越高, σ相回溶越快. σ相的回溶动力学研究表明, σ相的回溶速度受Co的扩散过程控制. 对比持久实验结果表明, 合金中的σ相并不能使合金变脆; 经过恢复热处理, 长期时效过程中析出的σ相回溶, 持久寿命提高.

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