单晶高温合金中Ru、Cr交互作用与β-NiAl相析出行为的内在关联

Although Ru and Cr have an irreplaceable role in improving the properties of nickel-base single crystal superalloys, high content of (Ru + Cr) can result in the precipitation of β-NiAl phase. Owing to its intrinsic brittleness and low high-temperature strength, the β-NiAl phase significantly deteriorate the mechanical properties of alloys. To better understand the relevancy between interaction of Ru with Cr and the precipitation of β-NiAl phase, independent solidification experiments at different temperatures were carried out in the project to detect microdmain concentration fluctuations character and conditions of alloying elements in front of liquid interface of β-NiAl phase. Through heat treatment and long-term thermal exposure experiments, it is possible to investigate the process of decomposition of β-NiAl phase to reveal the characteristics of composition changes in the interface between β-NiAl phases and other phases and to clarify their influence on mechanical properties. The purpose of the project is to identify the influence of Ru and Cr on the precipitation of β-NiAl phase, offering a theoretical basis for the composition design of new nickel-base single crystal superalloys with high strength and excellent hot corrosion resistance.

Ru和Cr元素对于改善镍基单晶高温合金的性能具有不可替代的作用，但高（Ru+Cr）可促使合金中析出β-NiAl相。由于β-NiAl相具有严重的本征脆性和较低的高温强度，因此会显著恶化合金力学性能。为了深入了解Ru、Cr交互作用与β-NiAl相析出的内在关联，本项目拟通过不同温度下独立的等温凝固实验，探究β-NiAl相由液相中析出前的微区成分变化规律与形成条件；通过热处理和长期时效处理研究β-NiAl相的失稳过程，探明β-NiAl相与其它组织界面处元素成分的变化特点，揭示β-NiAl相与合金中不同相之间的交流特性以及对合金力学性能的影响机制。旨在阐明Ru、Cr对β-NiAl相析出的影响规律，为高强抗热腐蚀类镍基单晶高温合金的成分设计提供有力的参考依据。

元素添加与相析出是高温合金微观组织、性能评价的根本，研究它们之间的相互关系具有重要科学意义。改变Ru、Cr元素的添加含量，研究了Ru、Cr含量变化对β-NiAl相析出倾向性、合金凝固特性、高温力学性能变化及β-NiAl相热稳定性的影响，确定了β-NiAl相的析出规律与机制以及对力学性能的影响规律。. 结果表明，Ru和Cr均具有抑制(γ+γ′)共晶形成、促进β-NiAl相析出的作用，且Ru会提高β-NiAl相的显微硬度。当合金中Ru含量较高时，β-NiAl相的热稳定性较高，无法通过热处理过程中的元素扩散将其消除。高温持久过程中，β-NiAl相会引起应力集中，诱发裂纹萌生，降低合金性能。Ru含量的变化对合金初凝温度的影响不大，而Cr含量的降低则明显增加合金的初凝温度。Ru、Cr元素含量及凝固速度的改变，还会明显地影响合金中(γ+γ′)共晶与β-NiAl相的析出顺序及析出特征温度。合金枝晶间各相的析出机制为：β-NiAl相与(γ+γ′)共晶均由液相中析出，而包裹β-NiAl相周围的γ′相则通过固态脱溶反应从β-NiAl相中析出。通过调整冷却速率，发现合金经固溶处理后，在空冷条件下，β-NiAl相中无α-Cr相析出，并且β-NiAl相周围没有大块、锯齿状γ′相出现，在β-NiAl相与合金基体界面处有细小γ′相析出。而在随炉冷却条件下，β-NiAl相形貌与铸态组织基本接近，即β-NiAl相被大块、锯齿状γ′相包裹，且β-NiAl相中存在细小弥散的α-Cr相。长期时效过程中，与热处理态相比，β-NiAl相中Ru元素含量增幅显著，Al元素会有小幅增加，而Cr元素变化不大，Co、Ta元素含量小幅降低。因此，在高强抗热腐蚀合金设计过程中，需要综合考虑Ru、Cr元素的添加量，避免β-NiAl相的大量析出，只有这样所得合金才能兼备较高的力学性能和良好的抗热腐蚀性能。