Re合金化镍基单晶高温合金的强韧化机理研究

Re合金化的单晶Ni基高温合金是制备新型战斗机发动机叶片的重要材料，适量的Re的加入有效的提高了材料的蠕变强度，受到各国工业界和学者的广泛关注。如何调整Re的含量和其他元素的配比以及如何正确实现制备、加工工艺的控制，人们冀希于对Re的作用机制有进一步深入的了解。本课题主要应用电子显微学方法，辅以三维原子探针和计算、模拟，研究我国自行研制的不同Re含量、不同蠕变外场下的单晶Ni基高温合金的具原子级分辨率的合金微观组织、Re和其它合金化元素的分布、Re的存在形态、Re对位错组态和运动的影响及合金中相界附近的应力分布；基于实验结果的统计分析，构建模型，探索Re元素的强韧化作用。为我国研制的此类材料的优化合金设计、获得自主知识产权研究成果提供支持。

本项目以我国自行研制的、已被用于多种先进航空发动机涡轮转子叶片与导向叶片的、低成本第二代单晶高温合金DD6为研究对象材料，利用电子显微学等方法，从不同尺度上研究了蠕变前及稳态蠕变阶段合金中的γ/γ′两相组织结构、Re及其它合金元素的分布和存在状态、位错组态等，从而揭示了Re元素对γ/γ′两相组成元素在外场（温度和应力场）作用下互扩散的阻碍作用、Re对位错组态和位错运动的影响及合金微观结构的演变过程。主要研究成果如下：（1）证实了一部分Re元素以重原子团簇形式存在于合金中。揭示了在稳态蠕变初始阶段合金中的重原子团簇在γ/γ′相界面附近富集的屏障作用。（2）直接提供了在稳态蠕变开始阶段Re和W在γ/γ′界面附近靠近γ相一侧富集，阻碍了Ta、Ni元素从γ′相向γ基体中扩散，稳定了γ′相的直观证据。（3）首次发现在稳态蠕变初始阶段，筏排结构中的γ/γ′相界面处位错运动形成的尖凸或台阶状等特征微结构，Re和组成γ相的元素共富集在这些特征微结构的尖端处，减缓了位错的运动，即减缓两相合金元素互扩散。建立了稳态蠕变阶段中的γ-γ′两相互溶过程是通过位错网络中的位错运动伴随两相合金元素互扩散进行的模型及在蠕变过程中Re有效稳定γ′相的机制。