镍基单晶高温合金在高温下具有优异力学性能和耐腐蚀性，被平庸足下于制备航空发动机涡轮叶片。发展低比重镍基单晶高温合金故意于平直纳缩用作涡轮机叶片的分量，并蜿蜒收缩通盘转子 (圆盘、轮毂和轴) 以及非旋转复旧结构的分量，是研制高推重比航空发动机的贫窭材料。来自浙江大学材料科学与工程学院的张泽院士团队在 Crystals 期刊发表了著述“Microstructure, Mechanical Properties and Thermal Stability of Ni-Based Single Crystal Superalloys with Low Specific Weight”，筹谋了一系列含3 wt.% Re不含W的镍基单晶高温合金的因素，其比重均低于8.4 g/cm3。得手滋长了[001]方针的单晶，经固溶和时效管束后体育游戏app平台，得到了典型的γ/γ′两相组织。新的单晶合金具有与商用第二代单晶高温合金终点的强度，且在1050 ℃下热显露500 h后不会出现拓扑密堆 (TCP) 相，具有优异的相踏实性。本盘问为建造低比重镍基单晶高温合金提供了一定的科学依据。
盘问进程与成果本文采纳Bridgman法制备单晶，行将铸态多晶母合金甩掉在氧化铝坩埚中，下方为[001]取向的单晶籽晶，高温下将坩埚以33 µm/s速率向下抽拉，并使用液态金属冷却，取得直径为12.5 mm傍边的单晶棒。
伸开剩余83%图1. 滋长单晶的默示图。
本文采纳Bridgman法得手滋长了3Ta6.4Al1Ti、0Ta6.4Al2Ti、3Ta6Al1Ti和0Ta6Al2Ti四种单晶合金。图2a为滋长的单晶棒示例。滋长棒的横截面光学显微像片 (图2b) 标明滋长的单晶不含高角晶界，是典型的枝晶结构，平均一次枝晶间距为~320 μm。EDSD反极图讲明单晶滋长方针在[001]方针的10 °规模内。枝晶间区域主要由平均尺寸为370 (±68) nm的粗γ′颗粒构成 (图2c)。违反，枝晶干区域中的γ′颗粒相对较细，平均尺寸为220 (±30) nm (图2d)。单晶的质地风雅。
图2. 滋长态镍基单晶棒 (3Ta6Al1Ti) 的像片和横截面微不雅结构：(a) 单晶棒，(b) 单晶合金横截面的光学显微像片和反极图 (插图)，标明滋长方针沿[001]方针。SE图像自满，枝晶间区域 (c) 中的γ′比拟枝晶干 (d) 中的更大。
四种单晶合金在固溶和时效管束后的微不雅结构如图3所示。统共四种合金皆取得了镍基单晶高温合金典型的γ/γ′两相组织，γ′颗粒呈正方体，均匀散播在γ相中。此外，热管束得手摒除了枝晶和枝晶间区域之间组织的不均匀性。凭证对每种合金中100多个γ′颗粒的测量，3Ta6.4Al1Ti、0Ta6.4Al2Ti、3Ta6Al1Ti和0Ta6Al2Ti单晶高温合金中γ′颗粒平均尺寸分歧为260 (±61) nm、270 (±59) nm、270 (±59) nm和290 (±66) nm。
图3. 镍基单晶高温合金在固溶和时效管束后的SEM图像：(a) 3Ta6.4Al1Ti，(b) 0Ta6.4Al2Ti，(c) 3Ta6Al1Ti，(d) 0Ta6Al2Ti。四种单晶高温合金均具有典型的γ/γ′两相组织。
图4为镍基单晶高温合金在室温 (RT) 至1050 ℃温度规模内的拉伸性能。通过图4a所示的应力应变弧线 (3Ta6.4Al1Ti为例)，转头出每个合金的拉伸性能。如图4b、c所示，在低于750 ℃时，四种施行合金屈服强度 (YS) 和抗拉强度 (UTS) 略低于二代买卖合金CMSX-4和Rene′ N5。而在750 ℃以上，即镍基单晶高温合金四肢涡轮叶片的使用温度，施行合金的YS和UTS与这两种买卖高温合金的接近，标明施行合金在高温下足下的后劲。延迟率 (EF) 的比较如图4d所示，统共四种施行合金在850 ℃以下的EF均向上20%，明显优于CMSX-4和Rene′ N5合金。
图4. 镍基单晶高温合金在RT至1050 ℃温度规模内的拉伸性能：(a) 镍基单晶高温合金 (3Ta6.4Al1Ti) 的应力应变弧线，四种施行合金和二代商用合金CMSX-4和Rene′ N5的 (b) YS、(c) UTS和 (d) EF。
四种单晶高温合金在1050 ℃下热显露500 h后的微不雅结构如图5所示。在统共四种合金中皆莫得不雅察到TCP相的酿成，这标明合金均具有优异的相踏实性。然则，γ′相的粗化行为与合金因素关联。在500 h热显露进程中，Al含量为6 wt.%的合金 (3Ta6Al1Ti和0Ta6Al2Ti) 的γ′相的粗化速率慢于Al含量为6.4 wt.%的合金。此外，Al含量的合金中的γ′颗粒变得不顺次，但在1050 ℃显露500 h后仍被γ相分离。比拟之下，含6.4 wt.% Al的合金中的γ′颗粒在热显露100 h后初始不绝酿成筏化结构，跟着热显露时辰的加多，筏化结构欺压变粗。很明显，在现时的施行合金中，缩短Al含量似乎故意于艰辛筏化。
图5. 合金0Ta6Al2Ti、3Ta6Al1Ti、Ta6.4Al2Ti和3Ta6.4Al1Ti在1050 ℃热显露500 h后的微不雅结构演变。
盘问转头为了揭示低比重镍基单晶高温合金的因素、力学性能和热踏实性之间的关系，滋长了四种因素的单晶。经过固溶和时效热管束后，取得了典型的γ/γ′两相微不雅结构，可在RT和1050 ℃之间的宽温度规模内进行拉伸检修，并在1050 ℃下进行热显露检修。在先进电子显微镜的匡助下，不错得出以下论断：
(1) 统共四种合金皆不错通过Bridgman神色滋长成单晶花式，何况滋长的单晶具有典型的树枝晶结构。经过固溶和时效管束后，合金均具有典型的γ/γ′两相组织，γ′尺寸约为260~290 nm。
(2) 拉伸检修标明，在750 ℃以上的温度下，新建造的单晶高温合金的屈服强度和抗拉强度与商用CMSX-4和Rene′ N5合金一样。此外，850 ℃以下的延展性大于20%，优于这两种商用合金。
(3) 在1050 ℃下热显露500 h技术，莫得出现TCP相，标明具有优异的相踏实性。
(4) γ′相在1050 ℃热显露进程中的演变与Al、Ti和Ta的含量关联。在现时的施行合金中，缩短Al含量故意于艰辛筏化，用3 wt.% Ta代替1 wt.% Ti故意于热显露进程中γ′相花式和尺寸的踏实性。
原文信息Liu, D.; Ding, Q.; Zhou, Q.; Zhou, D.; Wei, X.; Zhao, X.; Zhang, Z.; Bei, H. Microstructure, Mechanical Properties and Thermal Stability of Ni-Based Single Crystal Superalloys with Low Specific Weight. Crystals 2023, 13, 610. https://www.mdpi.com/2228462
Crystals 期刊先容期刊主题涵盖与晶体材料、晶体学盘问干系的多个方面体育游戏app平台。当今依然被 SCIE、Scopus 等贫窭数据库收录。
2023 Impact Factor: 2.4 2023 CiteScore: 4.2 发布于：北京市