Ni3Al基单晶合金的蠕变机理研究

目前镍基单晶高温合金的使用温度已达到其熔点的90%，提高使用温度的空间已极其有限，与镍基合金相比，Ni3Al金属间化合物基合金具有密度小、比强度高、高温性能好等特点，如取代镍基高温合金在航空发动机涡轮叶片和导向叶片上应用，将能减轻重量、提高承温能力、延长使用寿命、提高发动机推重比，在涡轮发动机上的应用前景广阔。本申请项目拟通过研究不同晶体取向Ni3Al基单晶合金在不同条件下的蠕变性能，探明蠕变性能与晶体取向的相关规律；研究蠕变过程中γ′相的定向粗化机理和原子扩散途径，弄清γ′相粗化及筏排化机理；研究Ni3Al基单晶合金蠕变过程的位错组态，确定位错的滑移机制，将组织演化和位错演化有机结合，探明Ni3Al基单晶合金的蠕变机理，揭示Ni3Al基单晶合金与镍基单晶合金蠕变性能的差异本质。本研究将完善高性能高温金属间化合物单晶材料的蠕变理论，为Ni3Al基单晶合金的工程化应用奠定坚实的理论基础。

本项目研究了[001]、[011]及[111]三个不同取向单晶合金在不同条件下的蠕变性能，探明了蠕变性能与取向的相关性，并对蠕变组织进行了观察，研究了三个取向的单晶合金在不同条件下的断裂机制与微观变形机制。. 不同取向IC6SX单晶合金在不同条件下的蠕变性能研究表明：单晶合金的蠕变寿命与取向密切相关，在850℃/450MPa条件下，[001]、[011]及[111]取向寿命分别为：56.3h，5.3 h和126.9 h。在980℃/230MPa条件下，[001]和 [111]取向的蠕变寿命分别为47.4 h和70.9 h，而在1100℃/137MPa条件下，[001]和 [111]取向的蠕变寿命分别为46.4 h 和73.3 h。合金高温蠕变性能在不同条件下均存在显著的各向异性，[111]取向合金蠕变寿命最高，约为[001]取向合金寿命的2倍。[001]取向单晶合金的稳态阶段蠕变速率均大于[111]取向单晶合金的蠕变速率。. 不同取向单晶合金在不同蠕变条件下的断口形貌和组织特征研究表明：裂纹在断口附近初生NiMo相和（MoNi）6C相与基体的界面处以及试样表面氧化物处形成，并沿垂直于应力的方向扩展。在850℃/450MPa、980℃/230MPa以及1100℃/137MPa条件下，受温度和应力的共同影响，应力对γ’相的形貌影响显著，应力越大，γ’相粗化越显著，组织退化程度越严重，[111]取向合金的组织退化程度明显低于[001]取向单晶合金。. 单晶合金在蠕变过程中位错演变的研究表明：在850℃/450MPa条件下，位错的变形机制为位错以切割的方式切入γ’相，而在980℃/230MPa和1100℃/137MPa条件下位错主要通过热攀移的方式越过γ’相。