Ni3Al基单晶合金界面位错网对蠕变性能的影响

It is of great importance to develop single crystal superalloys with low density, low cost and excellent strength and creep resistance at high temperatures. In our previous study, we developed a series novel Ni3Al-based single crystal superalloy with density of 8.5g/cm3, Re content as low as one third of the fourth generation Ni superalloys and rupture strength as high as 80MPa under 1200oC/100h. However, the underlying mechanisms of the excellent high temperature creep resistance are not clear yet. Previous study shows that special structure of interfacial dislocation networks and non-planar superdislocation may play important role in improving high temperature creep properties. In this project, by experimental approaches and first-principles calculations as well as molecular dynamics simulations, the following issues will be systematically investigated: the mechanisms of formation of γ/γ' interfacial dislocation networks under thermal exposure and high temperature creep; the temperature dependence of lattice misfit and its influence on the γ/γ' interfacial dislocation networks; the influence of interfacial dislocation networks on the formation of non-planar superdislocations in γ' phase; effect of interfacial dislocation networks on the high temperature creep properties. The completion of the present project will unravel the origin of the excellent creep resistance of our Ni3Al-based single crystals and provide theoretical and technical base for the development of new generation Ni3Al-based single crystals.

发展低密度、低成本和高承温能力或大承载能力的单晶高温合金具有重要意义。课题组前期研制的系列新型Ni3Al基单晶合金密度低于8.5g/cm3，Re的含量仅为四代Ni基单晶高温合金的1/3，且表现出优异的超高温性能，在1200℃、100h条件下的持久强度超过80MPa。然而，优异超高温蠕变性能的机理尚不清楚。前期研究显示：独特的界面位错网结构和非共面超位错是影响蠕变性能的关键因素。本项目拟采用实验研究和第一性原理计算和分子动力学模拟相结合的方法，开展以下工作：Ni3Al基单晶合金在热暴露和蠕变条件下界面位错网的形成规律；界面错配度随温度的变化规律及对界面位错网结构的影响；界面位错网对γ'相中非共面超位错的影响；界面位错网演化对蠕变性能的影响。项目的完成可望揭示Ni3Al基单晶合金具有优异高温蠕变性能的根源，为发展具有更高承温能力或更大承载能力的新一代Ni3Al基单晶合金提供理论基础和技术保障。

随着镍基单晶高温合金的发展，难熔金属元素W、Re等的含量不断提高，导致合金具有严重的枝晶偏析和TCP相析出倾向。课题组研制了新一代系列Ni3Al基单晶合金。该系列合金的显著特点是高Al、高Mo、低Re、无W。通过高Al获得了达到80%体积分数的γ′相。高Mo提供了主要的固溶强化作用。然而，合金成分的变化对Ni3Al基单晶合金的凝固行为、热物理性质、晶体取向、固溶热处理制度、蠕变性能及界面位错结构产生了重要影响。.项目开展了以下研究：一、Ni3Al基单晶合金的凝固行为；二、Ni3Al基单晶合金的固溶处理；三、Ni3Al基单晶合金中TCP相析出行为；四、W和Re对Ni3Al的强化作用；五、Ni3Al基单晶合金的界面位错网结构；六、半共格界面上界面错配与剪切行为；七、高层错能半共格界面上错配位错分解行为。主要结果如下：1、抽拉速率决定了铸态 Ni3Al基单晶合金的显微偏析程度和凝固特征温度；显微偏析程度较高的枝晶组织具有较低的液相线温度和固相线温度；只有在一定的抽拉速率范围内制备的枝晶态单晶才能获得与籽晶接近的空间取向。2、Mo均匀化处理消除了在枝晶间的过饱和，从而避免了亚固相线熔化。3、凝固速率显著影响了Ni3Al基单晶合金的长期组织稳定性。固溶处理不能完全消除凝固历史对Gamma相成分的影响，导致了长期时效后枝晶中TCP相的含量更高。4、合金化元素Re、W和Mo对Ni3Al有出色的强化效果，W和Re对Ni3Al力学和热力学性质有相近的效果。5、发现了一种沉积在{111}型两相界面上的新型界面位错网。它呈现规则六边形结构，其中的位错具有成对结构，它们的柏氏矢量为a/2⟨110⟩，均为纯螺位错。 6、fcc{111}界面上的错配位错及它们的交点都是剪切薄弱区域。对于Ni/Ni3Al界面，界面滑移在位错区域启动并向周边的共格区域扩展以松弛剪切应变。7、发现了高层错能半共格界面上错配位错分解的新形式，拓宽了对半共格界面塑性变形机理的理解，提供了几种可行的方案调节缺陷构型，从而实现材料的强化设计。.项目成果加深了对Ni3Al基单晶合金的理解。