西部理工大学教材:揭示镍基高温合金界面γ/γ′稀土偏析

镍基高温合金由于γ/γ′显微组织而具有优异高温性能和机械性能,已广泛应用于航空发动机涡轮叶片等。虽然在镍基单晶(Ni-SX)高温合金的设计和开发中不考虑晶界的影响,但合金的失效行为仍然很复杂,涉及许多微观效应,其中之一是基体扩散控制的γ′析出相的粗化行为。大量实验表明,铼(Re)的加入能够显著降低γ′相的粗化动力学。已有研究表明,在Ni-Al-Cr合金中加入2% Re使γ′粗化动力学降低了约两个数量级,然而对反应机理仍有不同的看法。在大多数报道中认为Re降低合金的扩散系数,从而提高高温稳定性,有效地阻碍了γ′粗化。然而另有报道认为在γ基体中其他溶质的扩散率几乎不受Re的影响。因此,Re对γ/γ′相的影响机理仍有待进一步研究和探索。

西北工业大学的研究人员揭示了Ni-SX高温合金在长期时效过程中,界面上Re偏析的形成,深入探讨了Re在Ni-SX合金中的作用,成功地确定了Re在γ/γ′界面的偏析现象以及Re与γ′粗化的相互影响。相关论文以题为“Unveiling the Resegregation at γ/γ′ interface inNi-based superalloy”发表在Scripta Materialia。

论文链接:

https://doi.org/10.1016/j.sCriptamat.2021.114131

合金成分为:Ni-10Cr-9Co-0.5Mo-4W-4.3Al-2.5Ti-2Re-5Ta(wt%)。采用Bridgeman定向凝固法沿[001]方向对3个单晶锭进行定向凝固,进行1240℃/2h+1260℃/4h+1265℃/2h(空冷);1130℃×4h(空冷);870℃×20h(空冷)热处理,下文简称为SHT。SHT后分别在900℃和1000℃进行等温长时效(2000h空冷),下文简称为LTAT900和LTAT1000。

研究发现SHT析出相的平均尺寸为0.41μm,LTAT900和LTAT1000析出相平均尺寸分别为0.68μm和1.21μm。SHT中γ′体积分数为57.6%,LTAT900为51.2%,LTAT1000为48.1%。在较高温度(950-1100℃)时,Re在基体中的扩散率小于γ′相生长的实际扩散,Re的扩散效率较低,Re原子在γ/γ′界面不断积累并形成偏析。而在低温(800-900℃)时,Re的扩散与γ′相的生长持平,Re原子能够扩散而避免在界面上聚集。

图1 SHT、LTAT900和LTAT1000的TEM图

图2 (a) LTAT1000的APT结果;(b) γ/γ′界面分析;(c) γ/γ′界面Re富集;(d) γ/γ′界面Re分布图

图3 (a)Re、(b)Ta在SHT、LTAT900和LTAT1000的γ/γ′界面上的一维分布。(c) γ和γ′相之间的元素分配系数和元素扩散示意图

图4 (a)不同温度下γ′粗化过程中有效扩散(De)与Re在γ基体中的扩散(DRe)比较;γ′粗化过程中γ/γ′界面Re偏析形成机制:(b)低温(800-900℃)、(c)高温(950-1100℃)

在高温时效过程中,γ′相发生严重粗化,Cr、Co、Mo、Re元素几乎不向γ′相扩散,而Al、Ti、Ta扩散到γ′相中,完成γ′生长。稀土在界面上的偏析形成机制可以概括为两个不同的阶段:高温阶段和低温阶段。在较高的温度(950-1100℃)下,γ基体中的Re扩散率大大低于γ′相的扩散,无法实现γ′相的平衡生长,因此随着γ/γ′界面的迁移,Re原子在界面处努力扩散并不断积累,形成Re偏析。而在较低温度(800-900℃)时,Re扩散能够平衡γ′相生长的有效扩散,Re原子更容易扩散,避免在界面上聚集。高温阶段γ′相的驱动力较大,而冷却阶段γ′相的驱动力较小。本文研究了Ni-SX高温合金在不同热处理后γ/γ′界面上的Re偏析现象,对Ni-SX高温合金的设计开发提供了理论基础。(文:破风)

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