基于高通量制备技术探究铼对镍基单晶高温合金热腐蚀行为的影响机理

The continuous increase of the inlet temperature of the industrial gas turbines has put forward higher requirements on the high temperature strength of the gas turbine blade material - hot corrosion resistant superalloys. However, for traditional hot corrosion resistant superalloys, excellent high temperature strength and hot corrosion resistance might come into conflict, because of their high content of chromium (Cr). The application has recently found that alloying with rhenium (Re) can achieve both, but the mechanism of Re on hot corrosion behavior is still unclear, which limits the further optimization of alloy composition and properties. In this project, the single crystal samples with continuous gradient distribution of Re element prepared by high-throughput fabrication method will be used to investigate the effect of Re on Cr diffusion, Cr2O3 film growth behavior and high temperature damage mechanism. This method enables the quick, efficient and accurate obtain of the correspondence between composition and performance. Furthermore, samples with continuous gradient distribution of Re allows more efficient observations and extractions of contrast effect. This project will reveal the influence mechanism of Re on the hot corrosion behavior, and give a new perspective on the development of low-cost high strength hot corrosion resistant single crystal superalloys.

近年来燃气轮机进气温度的不断提高，对燃机涡轮叶片材料--抗热腐蚀高温合金的高温强度提出了更高的要求，但传统抗热腐蚀合金高铬(Cr)的特点，致使优异高温强度和抗热腐蚀性能难以兼得。申请人近期研究发现，采用铼(Re)元素合金化可实现二者兼得，然而Re对热腐蚀行为的影响机理仍不清晰，限制了合金成分及性能的进一步优化。本项目采用高通量制备技术制备的Re含量连续梯度分布单晶样品为实验载体，探究Re对Cr元素扩散、Cr2O3膜生长行为和高温损伤机制的影响，以期在具有成分连续梯度分布的样品上快速、高效、准确的获得成分-性能的关系，同时快速发现对比效应并结合微区取样分析精准探究其机制。本项目的完成将揭示Re对热腐蚀行为的影响机理，为发展低成本高强度抗热腐蚀单晶合金提供科学依据。

近年来燃气轮机进气温度的不断提高，对燃机涡轮叶片材料--抗热腐蚀高温合金的高温强度提出了更高的要求，但传统抗热腐蚀合金高铬(Cr)的特点，致使优异高温强度和抗热腐蚀性能难以兼得。采用铼(Re)元素合金化可实现二者兼得，然而Re对热腐蚀行为的影响机理仍不清晰，限制了合金成分及性能的进一步优化。本研究以DD413镍基单晶高温合金为原型合金，采用高通量制备方法，成功制备出具有厘米级别成分梯度变化的单晶试棒。实现一根试棒上同时制备出含两种固定Re含量与厘米级别梯度Re含量的多成分单晶试棒。在精确测定试棒成分及分布的基础上，制备出具有5wt.%和10wt.%两种Cr含量，0、1、2、3wt.%四种固定Re含量，0~1wt.%和2~3wt.%两种梯度Re含量，共12种成分的样品，极大提高了制样效率，降低了试验成本。在精准实验、精确表征的基础上，通过12种成分在900oC纯Na2SO4中的热腐蚀行为的研究，获得以下重要结论：Cr是影响合金热腐蚀性能的决定性因素，5wt.%Cr在900oC下不足以生成Cr2O3，Re含量对5wt.%Cr合金的热腐蚀性能无明显影响，Cr含量的减少不能通过Re含量的提高得到补偿。10wt.%Cr可维持Cr2O3的生长，Re明显提高10wt.%Cr合金的热腐蚀性能，10wt.%Cr加2wt.%Re的组合是兼具优异抗热腐蚀性能与经济性的最优成分。在精确表征热腐蚀产物组成及微观组织演化规律的基础上，对Re与Cr在热腐蚀中的作用进行了深入分析，分析表明，Re不参与腐蚀产物的形成，而是通过提高Cr元素活度的形式以及形成Re富集层的形式间接促进Cr2O3的生长，提高合金的热腐蚀性能。随着温度的提高，Cr2O3的挥发加快，Cr2O3的消耗导致Cr的贫化加速，合金的抗氧化腐蚀性能下降。本项目的完成揭示了Re对热腐蚀行为的影响机理，可为发展低成本高强度抗热腐蚀单晶合金提供科学依据。