航空发动机涡轮盘用新型镍钴基变形高温合金的晶界设计与控制

The advanced cast-and-wrought (C&W) superalloys for turbine disk applications have low temperature capability and poor processing ability compared with the powder metallurgy (PM) superalloys. A new concept of strengthening superalloy at the intermediate region (working temperature) and weakening it at high temperature region (processing temperature) has been proposed based on our achievements of the fundamental researches on wrought superalloys. With this concept, the new cast and wrought (C&W) Ni-Co based superalloys have been designed and developed. The heat resistance of the Ni-Co base superalloys is much higher than that of the existing high strength C&W Ni base superalloy, U720Li. Our previous results showed that grain boundary (GB) in Ni-Co-base superalloys is not strong enough during high temperature creep test. This proposal aims to study the effects of grain boundary microstructures on the creep properties and related mechanisms. The correlations between GB character distribution, interface energy of GB, GB precipitates and elements segregation on GB will be investigated. The controlling methods of GB microstructures will be proposed. Based on the creep results of Ni-Co-base alloys with various GB microstructures under representative creep conditions, the optimumal GB microstructure for improving rupture strength and the mechanisms regarding the GB microstructures will be illustrated. These achievements provide the theoretical basis for the design and processing of new superalloy.

针对航空发动机涡轮盘用变形高温合金热加工难、承温能力低于680度、难以满足先进发动机设计需求等不足，申请人提出了优化析出强化相成分和引入微孪晶以提高合金中温区 (服役温区) 强度、同时减弱析出相高温强化效果和固溶温度以降低合金高温区 (加工温区) 强度的理念，设计并制备出系列Ni-Co基变形高温合金。前期研究表明Ni-Co基合金中的晶界是合金蠕变变形和热加工过程中的薄弱环节。本项目拟研究采用SEM、TEM、HRTEM、力学试验机等材料表征和测试手段系统研究Ni-Co基高温合金的晶界微结构控制方法及其对蠕变性能的影响规律，分析晶界结构特征分布、界面能、界面析出相种类和分布特征、界面偏析元素种类和特征等因素的相互影响规律，确定含有不同晶界特征的合金在典型服役条件下的蠕变变形机制，建立材料“成分与组织状态-晶界微结构-蠕变性能”之间的关系。为航空发动机用新材料的开发和应用提供理论依据和技术支持。

针对航空发动机涡轮盘用变形高温合金热加工难、承温能力低于680度、难以满足先进发动机设计需求等不足，申请人提出了优化析出强化相成分和引入微孪晶以提高合金中温区(服役温区)强度、同时减弱析出相高温强化效果和固溶温度以降低合金高温区(加工温区)强度的理念，设计并制备出系列Ni-Co基变形高温合金。前期研究表明Ni-Co基合金中的晶界是合金蠕变变形和热加工过程中的薄弱环节。本项目系统研究了Ni-Co基高温合金的晶界微结构控制方法及其对蠕变性能的影响规律，确定了含有不同晶界特征的合金在典型服役条件下的蠕变变形机制。分析了热处理工艺、热加工工艺及合金化元素Co对晶界析出相及晶界特征分布的影响，探究了含有不同晶界析出相及晶界特征分布的蠕变变形机制。结果表明亚固溶及过固溶处理显著影响γʹ相的溶解行为和晶界特征分布，而时效处理则显著影响γʹ相的析出行为，对晶界特征分布影响较小。合金的晶界特征分布与晶粒尺寸具有显著的关系。通过不同的热加工工艺，可以得到不同晶界特征分布及晶界析出相的合金，确定了不同的热加工区间所对应的微观组织及变形机理。合金化元素Co显著影响合金的层错能，从而影响合金的晶界特征分布及晶界析出相种类、数量、形态、尺寸和分布。通过以上研究，制备了不同晶界特征分布及晶界析出相的组织，系统研究Ni-Co基合金中晶界特征分布及晶界析出相对晶界蠕变空洞形核和长大的影响，分析其在蠕变过程中的演化行为，建立了材料“成分与组织状态-晶界微结构-蠕变性能”之间的关系，为航空发动机用新材料的开发和应用提供理论依据和技术支持。相关成果已发表在Materials Science & Engineering A和Journal of Materials Science & Technology等国内外核心期刊上。