Ru和Ir协同作用对镍基单晶高温合金组织稳定性的影响

Nickel-based single crystal superalloy is the key materials for advanced aero-engine. The microstructure stability is of much importance for development of a new single crystal superalloy, but the interact effects of Ru and Ir on phase stability are still not very clear now. In this project by the use of high resolution transmission electron microscope(HRTEM), synchrotron radiation x-ray diffraction(XRD), atom probe analysis(APT) and first-principles and thermodynamic calculations, the influences of Ir and Ru in the partition behavior, the crystal structures and the interfaces mismatches are to be investigated in detail. The effects of both temperatures and applied stresses on the microstructure evolution and the precipitation of TCP phases are studies, the relationships between the cooperation effects and the microstructure stabilities are to be established, and the best ratio of Ru/Ir, which can result in the favorable microstructure stabilities is to be found.

镍基单晶高温合金是先进航空发动机涡轮叶片的首选材料。组织稳定性始终是研制先进单晶高温合金的首要问题，而目前Ru、Ir协同作用对组织稳定性影响机理仍不明确。本项目拟采用高分辨透射电镜、同步辐射X射线、原子探针等先进分析方法，并结合第一性原理和合金热力学计算等手段，从关键元素分配行为、两相晶格结构、界面结构及错配度等角度，系统研究温度、应力作用下不同Ru/Ir比例合金组织结构演化规律和有害TCP相析出特征，结合模拟计算结果，深入分析Ru、Ir协同作用对典型单晶高温合金体系稳定性的影响，发现Ru、Ir协同作用与组织稳定性间响应关系，提出最佳Ru、Ir成分配比，为丰富传统高温合金强化理论提供必要参考，为设计新型高稳定性单晶合金提供理论指导。

随着航空工业的迅速发展，对镍基单晶高温合金的承温能力提出了更高要求。而在以获得更优异的高温强度为主要目标的前提下，有效改善合金的组织稳定性已经成为研制先进单晶高温合金的首要问题。针对上述问题，本项目开展了Ir和Ru协同作用对镍基单晶高温合金组织稳定性和蠕变性能的影响研究。.采用计算模拟和实验相结合的方式，开展了含Ir和Ru元素合金的第一性原理计算，研究了Ir等元素对Ni/Ni3Al体系的影响、Ir等元素对Ni3Al相杂化行为的影响等。采用原子探针、中子衍射等方法，研究了Ir等元素对单晶合金微观组织结构和两相界面形态的影响。采用高分辨透射电镜等研究了Ir等元素对单晶合金高温组织稳定性的影响。采用高温蠕变性能测试，评价了Ir和Ru等元素协同作用对单晶合金蠕变性能的影响。.Ir和Ru等合金元素代替镍基单晶高温合金中的Ni或Al原子都能够降低合金的成键能，从而提高镍基合金的结构稳定性。Ni3Al中的Al位被Ir代替后，成键能降低，这表明Ir占Al(1)位后使合金的结构稳定性进一步提高。随着Ir和Ru元素的加入，枝晶间与枝晶干处 γ' 相体积分数的差异逐渐减小，这说明Ru、Ir的加入改善了定向凝固过程中大部分元素的枝晶偏析。Ir的单独加入明显增大了完全热处理后合金 γ' 相的体积分数，而Ru和Ir同时加入对完全热处理后合金 γ' 相的体积分数略有增加。加入Ir和Ru元素后，合金高温长时间热暴露过程中析出有害TCP相的倾向性显著降低。Ir和Ru协同作用下，热暴露过程中TCP相的形核得到了抑制，合金的高温组织稳定性得以显著提升。同时加入Ir和Ru两种元素后，合金的高温蠕变寿命也被有效提高和优化。.上述工作表明Ir和Ru的协同作用不仅可以改善合金高温组织稳定性，也可以提升和优化合金高温蠕变寿命，这为设计和发展新型镍基高温合金，有效解决因高合金化而引起的组织稳定性变差和蠕变寿命缩短的瓶颈问题，提供了创新性的解决思路。