Hf在高W合金化镍基高温合金中的作用机理研究

High W alloying is an important way for developing low cost and high performance superalloy, and the endurance strength and plasticity of the alloy may be largely improved by adding element Hf. While the action mechanism of Hf on high W alloying Ni-based superalloy are rarely reported. In the project, by investigating the influence of Hf on the solute distribution, the solidus and liquidus temperature, the volume fraction, morphology and distribution of the precipitates, microstructure stability and creep strength of the high W alloying Ni-based superalloy. The distribution regularity and existence form of elements Hf and W in different state alloys are analyzed from micron to atomic scale, the interaction effect between W and Hf and its strengthening and toughening essence will be clarified. The microstructure evolution feature and deformation mechanism of different alloy are investigated during creep, and the micro mechanism of main strengthening elements of Hf and W will be expounded. The corresponding relationship among the alloy composition, microstructure and properties will be established, and the effect of Hf on the creep behavior of high W alloying Ni-based superalloy will be illuminated. The research may provide the theoretical foundation for the high alloying design and performance optimization of Ni-based superalloy.

高W合金化是发展低成本高性能高温合金的重要途径，通过Hf的加入可使高W镍基合金的持久强度与塑性大幅提高，但Hf在高W合金化镍基高温合金中的作用机理少有报道。本项目通过研究Hf对不同W含量高合金化镍基高温合金的溶质分布、固液相线温度、析出相的体积分数、形态与分布、组织稳定性及蠕变强度的影响，从微米到原子尺度分析Hf、W在不同状态合金中的分布规律及存在形式，揭示Hf与W的交互作用机制及其强韧化的本质；研究不同合金蠕变期间的组织演变特征及微观变形机制，明确Hf、W等主要强化元素的微观作用机理；建立合金成分-组织-性能的本征对应关系，阐明Hf对高W合金化镍基高温合金蠕变行为的影响，为镍基高温合金的高合金化设计及性能优化提供理论依据。

为满足先进航空发动机热端部件用高温合金需求，高W合金化是发展低成本高性能高温合金的重要途径之一，通过添加元素Hf可提升高W镍基高温合金的使用潜能。鉴于此，本项目通过组织表征与性能测试分析，研究了W、Hf对高W合金化镍基高温合金凝固组织与力学行为的影响，澄清了Hf在高W合金化镍基合金中的作用机制，分析了含Hf高W合金的变形机制与断裂特征，明确了该合金在长期高温下的组织演化与持久强度的关联性，并建立了合金成分-组织-性能的对应关系。研究结果表明，W和Hf均可增加合金共晶的体积分数，其中W通过影响液相中Al、Ti浓度促进共晶转变，而Hf在趋肤效应作用下促使共晶析出；随着W含量增加至16%时，合金中析出α-W相，并作为异质形核质点促使晶粒尺寸减小；随着Hf含量的增加，合金中析出的MC碳化物含量与尺寸呈减少趋势。16%W合金的室温拉伸强度随着Hf含量增加略有提高，其变形特征为基体滑移位错绕过或切入γ'相，且MC碳化物为主要裂纹源，表现为穿晶断裂。0.5%Hf-16%W合金在1000℃/160MPa条件下具有最佳持久寿命，其变形机制为位错在基体中滑移及攀移越过γ'相，晶界处的MC相、共晶组织和α-W相为主要裂纹源，表现为沿晶断裂。在1000℃下，合金的相尺寸随时效时间的延长而增加，但体积分数降低，而晶界区域宽度增加；初生MC相向M6C碳化物转化，并有不同形态的二次M6C碳化物析出。随着时效时间的增加，合金的室温拉伸及持久性能均降低。拉伸期间，晶界处M6C相的数量增加导致合金的断裂特征由穿晶断裂转变为沿晶断裂。高温持久期间，γ/γ'相界面处的位错网宽度减小，且裂纹主要沿晶界扩展。1Hf16W合金具有最佳的组织稳定性。随着W含量的增加，针状及菱形状M6C相数量明显增加，提高了短棒状M6C相的析出倾向。随着Hf含量的增加，针状及菱形状M6C相数量减小。研究结果可深入认识Hf在高W镍基高温合金中的作用机理，为此类合金的成分设计与性能优化提供依据，具有一定的科学意义。