镍基单晶高温合金的研究进展目录1 引言 (3)2 镍基单晶高温合金的背景及意义 ...........................................................................4 2.1 镍基单晶高温合金的应用背景 (4)2.2 单晶高温合金的发展历程 (5)3 镍基单晶高温合金的成分设计及相组成 ...............................................................7 3.1 镍基单晶高温合金成分发展的主要特点 ..................................................... 7 3.2 镍基单晶高温合金主要强化元素的作用 ................................................... 10 3.3 镍基单晶高温合金的相组成 ....................................................................... 13 3.3.1 γ基体................................................................................................... 13 3.3.2 γ′相 ....................................................................................................... 13 3.3.3碳化物相 (13)3.3.4 TCP相 . (14)4 镍基单晶高温合金的性能研究现状 .....................................................................15 4.1镍基单晶高温合金的强化机理 .................................................................... 15 4.2镍基单晶高温合金性能的各向异性 ............................................................ 16 4.3镍基单晶高温合金的γ′ 相定向粗化行为及高温蠕变性能 ........................ 17 4.3.1 镍基单晶高温合金γ′ 相定向粗化行为 (17)4.3.2 镍基单晶高温合金的蠕变性能 (18)5 镍基单晶高温合金的制备技术 .............................................................................21 5.1镍基单晶高温合金的凝固 (21)5.1.1 枝晶竞争生长 ..................................................................................... 21 5.1.2 螺旋选晶过程 ..................................................................................... 22 5.1.3 定向凝固缺陷 (23)5.2 镍基单晶高温合金的制备技术 (25)6 评述与展望 .............................................................................................................261 引言高温合金 ( Superalloy 是以铁、镍、钴为基体的一类高温结构材料, 可以在600 ℃以上高温环境服役, 并能承受苛刻的机械应力。

镍基单晶高温合金具有优异的蠕变、疲劳、氧化及腐蚀抗力等综合性能,而被广泛应用于航空发动机和工业燃气轮机的叶片材料。

高温合金研究的不断深入,不仅推动了航空 /航天发动机等国防尖端技术的进步,而且促进了交通运输、能源动力、石油化工、核工业等国民经济相关产业的技术发展。

单晶高温合金消除了晶界,明显减少了降低熔点的晶界强化元素,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,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。

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温合金。

由于 Re 和 Ru 元素储量稀缺和价格昂贵, 使得先进单晶合金的成本成倍地增加, 制约了这些合金的推广应用。

单晶高温合金当前的发展重点之一是研发低成本合金。

通过优化合金成分,降低 Re 和 Ru 的含量,在保证性能的前提下,尽可能降低合金成本。

法国 ONERA 发展的无 Re 合金 MC2已经达到了第二代单晶高温合金的性能水平。

近来,美国的 GE 、 C-M 公司以及 NASA 在发展低成本合金方面也取得了重要进展。

2008年, GE 公司在 ReneN5合金的基础上研制了ReneN515(含 1.5%Re, 质量分数和 ReneN500(无 Re 合金, 并对 ReneN515合金在一些航空发动机上进行了测试, 计划将其应用到 GEnx 等发动机上。

我国发展了DD98系列无 Re 高性能合金, 其高温力学性能基本达到了第二代单晶高温合金性能水平 [1]。

近年来, 国内已经研制出 Re 含量低于国外第三代单晶高温合金,但具有优良的综合性能, 拉伸性能与持久性能等达到了国外第三代水平的单晶高温合金[2]。

本文从镍基单晶高温背景及意义,合金成分与相组成、性能研究、制备方法等方面,简要介绍了镍基单晶高温合金的主要研究进展。

2 镍基单晶高温合金的背景及意义2.1 镍基单晶高温合金的应用背景高温合金材料具有在较高温度下保持材料性能的能力,其应用范围非常广泛, 如飞机发动机的叶片等。

高温合金材料具有一些共同的特点,首先,高温合金材料具有在接近熔点工作温度下承受一定载荷的能力, 工作温度与熔点之比 (K 为单位一般大于 0.6;其次,高温合金材料在一定的时间内可以保持材料稳定的力学性能, 在高温条件下,蠕变现象非常普遍,蠕变是高温条件下的非弹性、不可逆的形变过程,因此要求高温合金材料具有较低的蠕变率;另外,与一般结构材料相似,要求高温合金材料具有较高的屈服强度、断裂强度及抗腐蚀、氧化的能力。

针对不同的应用温度范围及材料的性价比,已有多种高温合金材料被研制并得到广泛应用, Ni 基高温合金适用于可以提供卓越的抗高温(800℃以上蠕变、疲劳性能, Ti 基高温合金具有密度低的优势, 但抗氧化能力差, 主要应用于 700℃的工作环境, 高强度、抗蠕变的铁素体刚则具有低廉的价格, 广泛应用于高温蒸汽 (565℃发电装置,而碳化硅等陶瓷材料由于韧性及延展性较差,一般不能应用于以上工作环境。

燃气涡轮发动机为飞机提供飞行的动力,飞行速度的提升取决于发动机效率的高低,根据热机循环原理,提高发动机的效率需要提高涡轮的进气口温度,因此, 从1940年发明第一台发动机到 2000年的 60年间, 涡轮进气口温度从最初的 ~1000K 提高到 ~1700K, 这期间发动机叶片的制造经历了从锻造、传统铸造、定向凝固铸造、单晶铸造的发展历程,并通过气冷、涂层等方法进一步提高叶片的工作温度,铸造叶片比锻造叶片具有较好的蠕变性能,在铸造技术的改进中,定向凝固叶片去除了横向晶界,提高了疲劳寿命,进一步,单晶铸造叶片完全消除了晶界,由于不含晶界,所以合金中去除了晶界强化元素,如 C 、 B ,由于这些元素的去除,减少了铸造过程中合金的微观偏析及共晶的含量,同时避免了热处理中处熔问题,使合金更易进行热处理。

2.2 单晶高温合金的发展历程单晶高温合金是先进航空发动机的关键材料,多年来各国十分重视镍基单晶合金的研制和开发,采用镍基单晶高温合金制造涡轮叶片已成为当前先进航空发动机的标志之一。

F119、 GE90、 EJ200、 M88-2、 P2000等先进航空发动机无一例外地选用了单晶合金作为叶片材料。

与多晶高温合金相比 , 单晶合金的主要优势在于:1 高的初熔温度容许合金进行充分的固溶处理,从而获得高的蠕变强度; 2没有易成为裂纹起始位置的晶界; 3 由于 <001>晶体取向的低弹性模量而具有高的热疲劳抗力。

单晶高温合金也将是今后相当长时期内先进航空发动机的关键材料, 20世纪70年代以来,国际上对其他高温材料也一直在进行研究,如:定向共晶合金、难熔金属基合金、金属间化合物基合金、陶瓷材料。

但目前都因某些关键问题未获解决还不能顺利付诸实际应用。

迄今还没有一类材料能像镍基单晶高温合金这样具有良好的综合性能。

在今后相当长时期内,单晶合金仍将是航空发动机的关键材料。

图 1是镍基高温合金发展的基本趋势。

图 1 镍基高温合金发展的基本趋势Fig.1 Basic tendency of development of nickel based high temperature alloy20世纪 60年代, 美国普惠公司的 VerSnyder 等人发现 , 普通铸造高温合金中和应力轴垂直的晶界是高温变形时裂纹起始的主要场所。

若使晶界平行于应力主轴方向定向排列,高温变形时作用在晶界上的应力会最小,从而延缓裂纹形核而提高蠕变持久寿命。

在这种思想指导下发明了定向凝固技术,这是高温合金发展中的一个里程碑。

在 MAR-M200合金基础上研制成的定向凝固高温合金 PWA1422具有良好的中、高温蠕变断裂强度和塑性 , 而且热疲劳性能比原合金约高 5倍,在先进航空发动机上获得了广泛应用。

我国的 DZ22合金就是以 PWA1422为原型而研制的。

定向凝固技术的出现为发展完全消除晶界的单晶高温合金创造了条件。