Ta对单晶高温合金中温蠕变变形机制的影响

The intermediate temperature creep deformation damage of single crystal superalloys usually occurs significantly in the blade root and the internal air cooling paths during service of turbine blades. However, this is often ignored, leading to little research on intermediate temperature creep deformation behavior and then lack systematic research about the effect of key elements on the intermediate temperature creep deformation mechanism. Previous research of the author found that adding a certain amount of Ta in a single crystal superalloy, of which the intermediate temperature creep life showed a magnitude increase. But when the applied stress increased, the intermediate temperature creep life decreased rapidly. At present, reasonable explanation can not be given. Therefore, on the basis of previous work, combining with synchrotron radiation X ray diffraction technology, this project will study the influence of Ta on the lattice misfit, dislocation network and formation of stacking fault lock, and explore whether there is Suzuki effect, and then determine the effect of Ta on the interaction mechanism of dislocation and gamma prime, in order to reveal the effect of Ta on the intermediate temperature creep deformation mechanism of single crystal superalloy and clarify its weaken mechanism under larger applied stress. This study is to explore optimization design method of alloy composition for improving the intermediate temperature creep property of single crystal superalloys. This study can not only enrich the theory of intermediate temperature creep of single crystal superalloys, but also provide a theoretical basis for the materials design and engineering application of single crystal superalloys.

单晶涡轮叶片服役过程中，叶根及气冷通道内壁可能发生明显的中温蠕变损伤。这点往往被忽视，导致对单晶高温合金中温蠕变的研究较少，缺乏关键元素对中温蠕变变形行为影响机理的系统研究。申请人前期研究发现，加入一定量的Ta，单晶高温合金中温蠕变寿命呈数量级增加，但外加应力增加，中温蠕变寿命急剧下降，目前无法给出合理解释。因此，本项目拟在前期工作的基础上，结合同步辐射X射线衍射技术研究Ta对点阵错配度、位错网、层错锁形成的影响，探索是否存在Suzuki效应，进而确定Ta对位错与γ'交互作用机理的影响，揭示Ta对单晶高温合金中温蠕变变形机制的影响以及大应力下的弱化机制，改善单晶高温合金中温性能，优化合金成分设计方法。该研究不仅可以充实单晶高温合金中温蠕变理论和合金元素的强化理论，还可为单晶高温合金的成分优化设计和工程化应用奠定理论基础。

航空发动机单晶涡轮叶片叶根和榫头等部位常经受中温高应力的损伤，有必要研究单晶高温合金的中温蠕变行为。作为重要的强化元素，关于Ta对单晶高温合金中温高应力下的蠕变行为的影响，尚少有报道。.本项目研究了Ta对单晶高温合金组织、蠕变变形行为、中高温错配度、缺陷处元素偏聚等的影响。主要研究结果如下：.1)Ta提高了γ′相的含量，γ′相的尺寸和分布更均匀，促进了W、Re、Mo、Cr等元素向γ相偏聚；.2)加Ta后，合金的中温蠕变（760℃/750MPa）寿命提高了4倍以上，Ta显著降低了初始蠕变量和蠕变速率，并延长了稳态蠕变阶段；.3)Ta增大了760℃中温错配度，这与Ta促进W、Re、Mo、Cr向γ基体的偏聚有关，较大错配度使位错网间距减小，强化合金；.4)含Ta合金较大的错配应力，促进了基体a/2<110>位错的分解；Ta降低了γ基体FCC点阵结构向HCP点阵结构转变的能垒，使含Ta合金γ基体产生了大量的层错；.5)含Ta合金产生大量层错锁。层错锁的形成显著降低了稳态蠕变速率，提高了蠕变抗力。.6)随着蠕变的进行，含Ta合金错配度逐渐减小，这与蠕变过程中位错以及层错的运动对两相界面错配应力的释放有关。.7)虽然合金中不存在Ta的Suzuki效应，但是Ta促进了Cr、Co、W、Re元素向γ′相层错处的偏聚，以及含Ta合金层错锁前端含Re溶质气团对位错和层错的运动产生了一定的限制作用。.8)随外加应力的增加，含Ta合金的不均匀变形程度增加，较大的塑性损伤使含Ta合金蠕变寿命迅速下降。.本项目的研究，明确了Ta元素对γ′相、错配度、基体层错、层错锁和元素偏聚的影响，并进一步获得γ′相、错配度基体层错、层错锁和元素偏聚与中温蠕变行为之间的关系，阐明了Ta对单晶高温合金中温蠕变机理的影响。本项目首次在第二代单晶高温合金蠕变过程中发现Ta促进大量基体层错产生，而不是高代次的含Re、Ru合金。该发现为发展低成本的低Re、Ru单晶高温合金提供了新的思路。本项目的完成，将丰富单晶高温合金蠕变强化机理，还将为单晶高温合金的成分优化设计和工程化应用奠定理论基础。