摘要
镍基高温合金被广泛应用于发动机热端部件，添加Re、W等难熔元素会导致合金中析出拓扑密堆相(TCP)，加速裂纹的形成与扩展，降低合金的持久性能。元素Nb能提高镍基高温合金的强度、硬度及塑韧性，但Nb过量时，强度增加减缓但塑韧性急剧下降。本论文围绕含Re镍基高温合金微观组织及Al-Re-Nb三元系相关系展开了研究。通过研究Re、W元素交互作用及固溶-时效处理对镍基高温合金组织的影响，揭示了TCP相的形成规律，研究成果能为设计抑制TCP相析出的新型合金及预测飞行器循环飞行过程中的安全性能提供重要指导；相关系研究结果能丰富镍基高温合金热力学数据库，为高元体系相平衡研究提供重要的基础数据。主要研究结果如下： (1)利用热力学软件Thermo-Calc(TC)和实验相结合，研究了不同Re含量镍基高温合金的组织演变规律。TC计算预测的结果表明，当Re含量≤4.9wt.%时，凝固过程中只析出μ相；Re含量≥5.6wt.%时，在一定温度范围内μ、P两相共存。借助扫描电镜-能谱仪(SEM-EDS)实验研究了铸态和热暴露状态下Re含量对镍基高温合金组织的影响。研究结果表明，随着Re含量的增加，铸态合金中γ''相的尺寸逐渐减小；随着热暴露时间的增长，TCP相的含量逐渐增多；借助差热分析仪实验确定了合金的相变温度，计算结果和实验结果具有较好的一致性。 (2)利用热力学软件TC计算预测了不同W、Re含量合金的相变规律，优选了不同W、Re含量的合金样品进行了实验研究。借助SEM-EDS和透射电镜-能谱仪(TEM-EDS)研究了缓慢凝固和固溶-时效状态下W、Re交互作用对镍基高温合金组织的影响。计算结果表明，当Re含量为2～4wt.%，W含量为7～9wt.%时，凝固过程中只析出μ相；当Re含量为5～7wt.%，W含量为4～6wt.%时，凝固过程中先析出P相，随着温度降低，P相向μ相转换，在一定温度范围内μ、P两相共存，随着温度进一步降低，P相消失。缓慢凝固实验研究结果表明，μ相呈长条状以不同位向平行分布，μ/Ρ共生相呈短棒状，存在共格关系，易引起应力集中，使合金出现微孔。固溶时效处理后，合金中TCP相数量减少，且均匀分布在基体上，合金中的微孔消失。 (3)采用平衡合金法，利用SEM-EDS、X射线衍射(XRD)测试技术，测定了Al-Re-Nb三元系1150℃等温截面的相关系。发现了两个新的三元化合物Τ1和Τ2；确定了八个三相平衡区：L-Al+Al3Nb+Al4Re、Al3Nb+AlNb2+Τ1、Al3Nb+Al11Re4+Τ1、Al11Re4+Τ1+Τ2、AlNb2+AlNb3+Τ1、AlNb3+Τ1+Τ2、AlNb3+Τ1+β-Nb、AlRe2+α-Re+Τ2。确定了第三组元在二元化合物中的溶解度。
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