不同组织尺度单晶高温合金固溶处理过程元素均匀化动力学

先进镍基单晶高温合金的难熔元素含量超过20wt%，由于难熔元素低的扩散系数，导致合金固溶处理存在"难均匀和超耗时"等突出问题，成为难熔元素含量进一步提高以及合金发展的限制因素之一。本项目针对含有Re、Ru、W等难熔元素的第三代和第四代单晶高温，利用HRS/LMC定向凝固技术制备不同组织尺度的单晶试样，研究枝晶间元素分布规律，采用分步固溶处理方法，研究它们在固溶处理过程中合金元素的扩散和均匀化动力学，探索γ-γ'共晶和γ'的溶解动力学，测试时效处理后的力学性能，建立凝固组织尺度-热处理制度-力学性能之间的关系，以发挥不同组织尺度合金的性能优势，使合金达到最好的性能状态。对于高梯度定向凝固制备的细化组织，制定优化的热处理工艺，可望有效减少固溶处理时间。本项目通过建立低扩散系数元素在高温合金中的扩散动力学机制，为先进单晶高温合金材料设计、定向凝固参数和热处理制度的优化提供科学依据。

先进镍基单晶高温合金成分的发展趋势是的难熔元素含量不断增加，由于难熔元素扩散系数低，导致合金固溶处理存在“难均匀和超耗时”等突出问题，成为难熔元素含量进一步提高以及合金发展的限制因素之一。为了解决这一问题，本项目提出控制单晶高温合金的定向凝固参数来达到细化合金枝晶尺度，降低后续固溶处理难度，并探讨此过程合金元素扩散和均匀化动力学等科学问题。.本项目首先研究了合金元素对单晶高温合金相变特征温度、枝晶偏析和共晶的影响。重点探讨了初熔产生的机理，精确测算其初熔温度，提出两种新型固溶处理专利，初步解决了固溶处理中发生初熔的难题，并形成了精确测定镍基单晶高温合金初熔温度的实验和模拟方法。在此基础上，提出一种缓慢持续升温的镍基单晶高温合金固溶处理新工艺，避免了常规阶梯升温过程中温度骤升引起的初熔。利用HRS/LMC定向凝固技术制备了不同组织尺度的单晶高温合金试样，研究了枝晶间元素偏析及分布随着组织尺度变化的规律；发现随着抽拉速率的提高，合金的组织尺度减小，元素偏析减轻，但当抽拉速率提高到一定程度后，将恶化枝晶偏析，反而增加后续固溶处理难度。采用模拟和实验的方法，研究了单晶合金中各元素在固溶处理过程中的扩散和均匀化动力学，探索了γ-γ’共晶和γ’的溶解动力学，研究了组织尺度对固溶处理过程中均匀化动力学的影响。发现组织尺度小的合金拥有初始偏析低，初熔温度高，扩散距离小等优点；对高梯度定向凝固制备的细化组织合金，制定了固溶处理时间短且均匀化效果优异的热处理工艺，为细小组织的单晶高温合金材料设计、定向凝固参数和热处理制度的优化提供了科学依据。针对固溶处理后的残余偏析问题，确定了模拟固溶处理中各元素均匀化过程的方法，提出一种适用于该方法的残余偏析比表示方法，较为准确地预测了单晶合金在固溶处理后的残余偏析。研究了时效处理工艺对γ’的形貌、大小、体积分数和生长速率的影响，发现经过完全热处理后第三代单晶高温合金具有良好的组织和组织稳定性，持久性能已经超过国际上常用同代次合金。.综上，本项目提出了精确确定合金初熔温度、确定固溶处理后残余偏析的等两种方法；制订了一种缓慢连续升温固溶处理新工艺；建立了定向凝固参数与凝固组织尺度之间的关系，阐明了不同组织尺度下元素均匀化动力学特点。.本项目在国内外学术刊物发表学术论文12篇，在国际会议上做特邀报告3次，申请国家发明专利2项，培养研究生4名。