Ti在含Re和无Re单晶高温合金中的作用机理研究

Ti是镍基单晶高温合金中的常用元素，在镍基单晶高温合金中，随着Re含量的增加，Ti元素含量呈降低趋势，Ti在含Re和无Re单晶高温合金中的作用如何，Ti和Re是否存在交互作用，相关报道很少。本项目拟通过第二相的百分含量、合金元素在两相中的分配比、两相错配度、合金的蠕变强度以及组织稳定性等方面的研究，分析Ti元素在无Re、含Re的镍基单晶高温合金中的作用机理， 研究不同合金蠕变过程中的组织结构变化规律、第二相的热稳定性和界面结构与位错运动模式，考察高温合金中Ti与Re之间的交互作用。基于密度泛函理论的第一原理计算，研究合金元素（Ti、Re ）作为溶质原子在Ni基体和Ni3Al中的占位、键合特性、晶格畸变以相界面结构等因数的影响，从原子、电子层次揭示合金元素强韧化作用的物理本质，为新型单晶高温合金的设计提供理论指导。

Ti是镍基单晶高温合金中的常用元素，在镍基单晶高温合金中，随着Re含量的增加，Ti元素含量呈降低趋势，Ti与Re的相互作用机制至今没有相关报道。因此，本项目利用金相显微镜、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、能谱分析（EDS）、三维原子探针（3DAP）、差示扫描分析（DSC）和高温持久试验等方法研究了不同Ti含量（0、0.5、1wt%）和不同Re含量（2.5%、3%、3.5 wt %）的镍基单晶高温合金铸态、热处理态和长期时效过程中组织演化及高温持久性能。并运用Thermo-Calc和Materials Studio软件从理论角度研究Ti和Re对合金影响的物理本质。研究结果表明：随着Ti含量增加，合金初熔温度、固相线与液相线温度都随Ti含量增加而略有降低，r′析出温度略有提高。在2.5-3.5%wt范围内，Re含量的变化对合金的相变温度影响不明显。随Ti含量增加，热处理态合金中r'相尺寸逐渐增大，1Ti合金中有少量针状TCP相析出。随着Re含量增加，r'相尺寸逐渐减小。三维原子探针表明：Ti使Mo、Cr、Re等元素更多地向g基体分配，随Ti和Re含量增加，r/r'两相错配度的绝对值都分别增大。无Re合金中Ti也具有同样的作用，只是Ti对Re的影响最为明显。第一原理计算表明，Ti降低Re元素在Ni基体中的形成能。在长期时效过程中，随时效时间的延长，合金中的r'相尺寸都逐渐增大，并逐渐连接形筏，随Ti和Re含量增加，g¢相的粗化速率增大，筏化时间和TCP相开始析出时间提前。随着Ti含量的增加，TCP相的形态有明显改变，在0Ti合金中主要为细针状的低Re含量的TCP相，1Ti合金的TCP相主要为高Re的棒状TCP相，0.5Ti为低Re针状和高Re的棒状TCP相共存。随Re含量增加，TCP相数量明显增加，并且低Re的针状相数目逐渐减少，高Re的短棒状TCP相逐渐增加。透射电镜分析表明低Re和高Re的TCP相均为u相。合金的持久寿命随Ti含量增加而有所降低。随Re元素含量增加，合金持久寿命在982℃/248MPa条件下先增加后降低；在871℃/552MPa条件下，随着Re含量的增加，持久寿命逐渐增加。