采用第一原理分子轨道离散变分Xα法,研究在镍基合金中加Ir合金化的作用,以及在镍基合金中存在B,C,N,H,O,P或S时对γ相和γ'相界面结合强度的影响.证明Ir合金化后,使γ相和γ'相的晶格错配度向负值变化,提高键重叠集居数和总键序.在镍基合金中存在的S,P,H,O,N,B或C,对γ Ni/γ'-Ni3Al相界面结合力有明显影响,其中C,B和N显著增强两相的界面,相反S和P则减弱相界的结合.

高温金属间化合物是一类重要的高温结构材料,其中Ti-Al及Ni-Al等许多合金系在凝固时都存在连续的包晶反应.本文就包晶合金凝固的特性从多方面加以总结和分析.凝固过程中的包晶相变对组成相的生长与取向有不同的影响.除此之外,定向凝固包晶反应过程中,相的竞争与选择及界面形态的演化也将同时对金属间化合物的凝固组织产生重要的影响.在考虑了界面温度对生长速率的响应后,可以发现生长速度超过某一值后亚稳相将析出,而根据凝固条件不同可以以不同的凝固方式进行长大,形成如带状、浅胞状和枝/胞双相共生等形式的组织,其中共生组织更有利于提高材料的单向力学性能.虽然定性的分析已获得某些规律,但作为工程应用的具有包晶反应特点的高温金属间化合物的定向凝固研究还极不充分,需进行大量的、基础的理论与实验研究.

评述了热障涂层发展的现状,研究了电子束物理气相沉积(EB-PVD)热障涂层的恒温氧化和循环氧化行为.结果表明:热障涂层1000℃氧化稳定后,基本遵循抛物线氧化规律.循环氧化过程中,微裂纹优先沿陶瓷层柱状晶界形成,并逐渐沿横向及纵向扩展.热障涂层热循环过程中产生的热应力、氧化物长大应力等引起金属氧化物(TGO)/粘结层分界面多处开裂,最终导致热障涂层失效于TGO中或TGO/粘结层的分界面.

TiAl基合金以其低密度、高强度以及良好的抗氧化性等特点得到广泛的研究.着重介绍了TiAl基合金在显微组织控制、组织-性能关系、合金化、熔炼技术、精密成形等方面的发展状况.

在对颗粒强化理论和位错蠕变理论进行回顾、评价基础上,发展了一个位错蠕变阻力模型,认为蠕变阻力是影响铸造镍基高温合金蠕变机制的重要因素.当施加应力足以使位错切入γ'相时,主要蠕变机制是位错切割γ'相过程,蠕变阻力就是位错切入γ'相的临界门槛应力.在低施加应力区,位错只能借助于热激活攀移过程通过γ'相.蠕变阻力包括两部分:第一项是位错攀移临界门槛应力,与施加应力无关;第二项是与施加应力有关的阻力项,代表了其他强化机制的贡献.位错攀移机制蠕变阻力的上限是切割机制门槛应力.在3种铸造镍基高温合金中(定向凝固DZ17G合金,IN100合金和IN738合金),对上述模型进行了验证,理论计算应用了SL强化理论,与实测值符合较好.

简要介绍了金属间化合物NiAl-Cr(Mo,Hf)合金(JJ-3的最新研究进展.重点报道了其物理性能、微观组织、高温拉伸性能、蠕变性能和持久性能及高温氧化性能.结果表明:JJ-3合金具有密度低、熔点高、导热率大、组织稳定.1000-1150℃力学性能优异和抗氧化性能良好等优点,适于制造高推比先进航空发动机的涡轮导向叶片.

一种新的定向凝固镍基高温合金DZ417G已被研制成功,它不含有稀缺昂贵的金属元素W,Nb,Ta,Hf等元素,具有密度小、成本低的特点.简要地介绍这一合金的研究结果,包括化学成分的确定,定向凝固工艺和热处理制度的选定,所测试的各种力学性能,涉及不同温度的瞬时拉伸性能,冲击韧性,持久、蠕变性能及其机理,高、低周疲劳和冷热疲劳性能,疲劳裂纹扩展速率,长期时效后组织和力学性能的变化以及抗氧化性能和物理性能.结果表明,DZ417G合金是一种综合性能优异的定向凝固镍基高温合金,很多性能指标优于DZ4合金,与DZ22和DS CM247LC合金相当,可用作先进航空发动机低压涡轮叶片等零件.

Ti-45Al-2W-0.5Si-0.5B(ABB-23铸造合金在800和900℃长期时效过程中发生组织失稳,包括α2板条断裂和合并,α2相转变为B2相,针状B2相球化和长大,γ等轴晶的生成以及片层间距的增加.ABB-23合金的热稳定性优于无B的ABB-2合金,表明添加B有利于提高合金的热稳定性.ABB-23合金在700--800℃范围内的抗蠕变能力超过同比密度的抗热腐蚀高温合金IN738LC,具有优异的高温蠕变性能.此外,还对比了ABB-23合金与其他几种TiAl基合金的高温蠕变性能.

研究了合金元素W,Mo,Y和Hf对Ni3Al基金属间化合物MX246高温力学性能与氧化性能的影响.实验结果表明,W和Mo的加入有利于合金高温力学性能的提高,成分为Ni-8.2Al-7.8Cr-0.1C-1Ti-0.5Hf-.05B-4Mo-2W-0.01Y(质量分数,%)的No.6合金的高温强度和持久性能远优于MX246合金,其1100℃/100 h氧化速率为0.0639 g/(m2@h),远低于MX246合金的0.2683 g/(m2@h),高温抗氧化性能的提高则主要归功于Y和Hf的作用.分析讨论了这些元素对合金性能的影响机制.优异的高温综合性能使研制的新型MX246合金在高温结构材料应用领域极具潜力.

喷射铸造高温合金具有成分均匀、无宏观偏析、晶粒与组织细小等快速凝固组织特征,同时它的热塑性和力学性能得到改善.综合评述了高温合金喷射铸造技术的国内外研究与应用情况及其发展方向.

定向凝固合金可铸性的最重要标志就是它的热裂倾向性,亦即合金在定向凝固过程中产生沿纵向晶界开裂的倾向性.根据一种镍基高压涡轮工作叶片在试制过程中暴露出的严重热裂问题,通过进一步的实验对比与分析,讨论了该合金的成分因素对定向空心叶片热裂的影响.

用高温度梯度定向凝固装置研究了CMSX-2单晶高温合金初始过渡区的组织演化特征,获得了不同条件下过渡区单晶高温合金的平-胞-枝组织结构,以及相应的一次胞枝晶间距大小,发现初始过渡区的凝固过程影响到最终获得的凝固组织.采用的匀加速抽拉方式有利于提高单晶的引晶率和单晶凝固组织的完整性.

评述了镍基铸造高温合金的热等静压(HIP)处理对组织和力学性能的影响.镍基铸造高温合金由于存在着铸造工艺难以消除的气孔类缺陷,严重影响着合金的使用可靠性和成品率.通过HIP处理后的合金,不仅可有效地消除合金中的缺陷,获得致密合金,而且还可改善合金的显微组织,提高合金的拉伸、持久和疲劳性能,显著地减小性能分散度.

介绍了单晶合金研制和应用中的成本考虑因素通过降Re加Ru的合金成分的调整可以提高合金的长时组织稳定性,大幅降低合金的成本.适量C,B,Hf能提高合金可铸性,有利于提高单晶叶片的成品率.重新固溶处理可有效的延长单晶合金的使用寿命.应用计算材料学可大大缩短合金的研制周期,返回料的应用既降低了成本,又符合环保要求.

超高强度钢靶板在聚能射流穿甲后损伤特征的研究表明,在穿甲过程中,弹孔周围白层的温度超过了相变点,形成了晶粒尺度在20 nm左右的马氏体+残余奥氏体混合组织.绝热剪切带(ASB)中的剪切仅发生在相当窄的层面上,其宽度约为2μm,平均切应变量为110,应变速率≥2.24×106s-1,光学显微镜下显示的剪切带宽度是集中剪切变形区(LSDZ)及其热影响区(HAZ)的总宽度.聚能射流穿甲过程中,靶板材料破坏包含了如下几个相互重叠的过程:与射流接触的靶板周围局部区域材料沿射流方向上的整体协调变形;射流与靶板之间的剪切断裂和弹孔表面部分靶材的熔化;集中在极薄层面上高度局域化的剪切变形;应力波在靶表面反射造成的正向开裂.

应用精确的线材织构测量方法,对珠光体钢丝帘线的织构进行了测量,实验结果表明,拉拔角、钢丝帘线与拉拔模具间的摩擦力是影响织构形成的主要因素大的拉拔角,会导致在表层或亚表层形成{110}<110>环状织构,从而降低其拉拔及扭转能力.应用Taylor模型可以很好的对这一现象进行解释.

用直接原子计算(分子动力学)的方法来模拟金属纳米杆的拉伸实验,得到纳米杆单向拉伸屈服前的真应力-应变曲线.金属单晶纳米杆屈服前的最大弹性应变约为0.11,应力应变关系表现为非线性弹性,拉伸模量随应变增大而提高,表现为明显的"应变刚化"行为.分析了产生这一现象的原因,主要是尺寸微小,内部无缺陷,弹性变形机理为晶格常数变化,而原子间相互作用势函数导数为增函数.小尺寸和表面效应也是导致纳米杆应变刚化的原因.

利用配位多面体生长基元理论研究了自生TiCp/Ti复合材料中TiC的生长习性.TiC晶体的配位多面体生长基元为TiC6.生长基元进入{100}面时为4个棱边同时联结,生长速率最快,不易显露;进入{111}面时为共面联结,生长速率最慢,容易显露因此,TiC晶体的理想形态为以{111}面为显露面的八面体.TiC晶胚在熔体中生长时,受传热传质过程的影响,6个顶角所处的{100}方向生长速率加快,形态失稳,从{100}方向顶角部位生长出二次枝晶臂,最终形成棱面枝晶状TiC.如枝晶形成时低生长速度的晶面上形成大量的晶体缺陷,则它们的生长速度加快,棱面消失,成为光滑枝晶.

热丝化学气相沉积(HFCVD)生长金刚石膜过程中,在热丝相关工艺参数取优化值的前提下,对热辐射平衡体系中衬底表面辐照度和衬底温度的空间分布进行了模拟计算,探讨了衬底横向热传导对衬底温度分布的影响.结果表明,在绝热边界和1000 K恒温边界条件下,热传导都使衬底温度的空间分布均匀性明显优于纯热辐射下的温度分布.这些计算结果为大面积高质量金刚石膜的生长进一步提供了理论基础.