Ni3Al基单晶合金高温强化机理与合金化设计研究

The contribution of materials and manufacturing technologies will account for 50%~70% to the improvement of the future advanced gas turbine engine. According to the lower density and higher temperature performance capability, Ni3Al intermetallic compound (IC) based superalloys are considerable to be promising new type ultra-high temperature structural materials. However, due to the lack of study on high temperature strengthening mechanism, the alloying design for such IC based superalloys is still following the traditional superalloys, which may result in some properties being lost..The aim of this project is to study the high temperature strengthening mechanism of Ni3Al based single crystal superalloy through the investigation of the participation behavior and activity of alloying elements in γ/γ' phases, strengthening effect of γ/γ' interface and evolvement of which during high temperature evolution, movement mechanism of dislocations under joint action of stress and high temperature, and the strengthening behavior of γ phase constrained by the γ/γ' interface. With a better understanding the high temperature strenthening mechanism as well as the differences between IC based single crystal superalloy and traditional Ni based single crystal superalloy, the computational and experimental study will be also carried out to develop high temperature performance Ni3Al based single crystal superalloy with lower cost and density.

未来先进燃气涡轮发动机性能的提高，材料和制造技术的贡献将占到50%～70%。Ni3Al金属间化合物基合金由于具有低密度、高承温能力的特点，有望发展成为新型超高温结构材料。但由于长期沿用传统高温合金的高温强化机理进行合金化设计，导致其诸多特点未能得到充分发挥。.本项目拟在前期研究基础上，开展Ni3Al基单晶合金高温强化机理与合金化设计研究，通过开展合金化元素在Ni3Al基单晶合金中的分布与作用、合金化元素对高有序度γ'相的高温强化效果与机制、γ'相有序度和回溶温度影响、γ/γ'相界面错配度和相界面强化效果及高温演变规律、热力耦合作用下位错运动机制、高温强约束条件下韧性γ相的强化行为等研究，揭示Ni3Al基单晶合金高温强化机理及其与传统Ni基单晶高温合金的异同；在此基础上，采用计算材料工程学的研究思路，优化成分与组织结构，发展具有更高承温能力的新一代低成本、低密度Ni3Al基单晶合金。

未来先进燃气涡轮发动机性能的提高，材料和制造技术的贡献将占到50%～70%。Ni3Al金属间化合物基合金由于具有低密度、高承温能力的特点，有望发展成为新型超高温结构材料。本项目针对进一步挖掘Ni3Al基单晶合金高温/超高温强度的需求，深入开展了Ni3Al 基单晶合金中强化元素的分布规律、影响Ni3Al 基单晶合金高温强化行为的主要因素、Ni3Al 基单晶合金的高温强化机理和新一代Ni3Al 基单晶合金及其力学性能等课题研究。取得研究成果如下：.1、揭示了合金化元素在γ′-Ni3Al中的原子占位规律与键合特征，提出了“Mo-Re”共合金化强化γ’相的合金化方法。.2、建立了超高温下（高于1150℃）高温合金组织结构演变规律。尤其针对两相错配行为进行了深入系统的研究，阐明了其与γ’相热稳定性、固溶元素两相偏析、两相固溶强化作用之间的内禀联系。 .3、确定地给出了可获得承温 1200°C单晶合金的主要控制因素的权重。合理使用 γ' 相形成元素来有效控制 γ'相高温回溶的合金化设计对高温强度的贡献度大于长期以来添加 γ 相固溶强化元素 Re 的合金化设计。 .4、基于以上结果，研发了1120°C承温Ni3Al基单晶高温合金IC21，实现了高承温、低密度、低成本的综合目标，与国际上同等承温能力的Ni基单晶高温合金比较，其具有突出的低密度（密度低10%）、低成本（成本降低2/3）的优势；同时，研发了承温1200°C的新型Ni3Al基单晶合金IC31。该合金 1200°C /80MPa 持久寿命可达 110 小时以上，为目前见刊单晶合金的最高承温水平。.所研发合金于2018年3月21日通过了由中国航空学会主持召开的“高承温低密度****单晶高温合金研究”科技成果鉴定会（鉴定证书编号：2018[057]）。形成鉴定意见为：该项目成功研发出高承温、低密度、低成本的Ni3Al金属间化合物基单晶高温合金。该成果总体技术达到国际领先水平。.目前该项目研发的Ni3Al金属间化合物基单晶合金的成熟度可达到三级，选用为我国正在研制的推重比**级航空发动机高压******叶片材料；同时，该项目研究的合金化设计思路，对其他单晶高温合金的研发也具有促进作用。