● 摘要
摘 要 单晶高温合金是目前制造先进航空发动机涡轮叶片和导向叶片的关键材料，但大部分单晶高温合金由于添加了W、Re以及Ta等高熔点金属使其密度和成本提高，同时由于目前Ni基高温合金的使用温度已经达到熔点的85%~90%，已接近其使用极限。与镍基高温合金相比，Ni3Al金属间化合物具有更好的抗疲劳性能、抗氧化性能，更低的密度和在高应变速率下更高的高温强度。本文采用螺旋选晶法制备了Ni-Al-Mo系Ni3Al金属间化合物基单晶高温合金IC6SX。IC6SX合金具有比重轻，成本低，高温性能优越，综合性能好等优点。其1050℃以上抗蠕变性能与二代含Re合金相当，是先进航空涡轮发动机涡轮叶片和导向叶片的理想候选材料。本文系统研究了铸态及热处理状态IC6SX合金的显微组织、凝固行为、高温持久性能以及蠕变性能等，为该合金的应用研究和工程应用奠定了基础。 研究了微量B(0.03wt%)对IC6SX合金的组织和性能的影响。结果表明添加0.03wt%B使合金的熔点降低了3℃左右。在含B合金铸态组织中除了Y-NiMo相及硼化物相之外，还有大块状的初生γ′相析出，说明在合金中加入微量B元素后，降低了合金的固相线温度，促进了初生γ′相的形成。同时，由于硼化物相的存在使枝晶间区域成为裂纹萌生和扩展的薄弱环节，含B的单晶合金的持久性能比相同取向无B单晶合金低30%～55%。 测试了不同结晶取向的Ni3Al基IC6SX合金在1100℃/130MPa 条件下的持久性能。结果表明：IC6SX合金持久性能表现出显著的各向异性，[111]取向合金试样具有最高的持久寿命，其平均持久寿命比[001]取向合金持久寿命高8倍左右。三种取向IC6SX单晶合金试样都为塑性断裂，[001]取向IC6SX单晶合金试样发生了明显的颈缩现象，断口形貌为杯锥状，表面具有大量韧窝，而[011]和[111]取向IC6SX单晶合金试样的断口表面与应力轴方向成一定角度，显示纯剪切断裂特征。 研究了含B合金IC6SX-2在760℃/593Mpa、980℃/205Mpa、1070℃/64Mpa、1100℃/75Mpa条件下100h的蠕变性能及蠕变机制。结果表明：三种取向合金760°C和980°C中温蠕变性能存在明显的各向异性。IC6SX-2合金在1070℃/64Mpa、1100℃/75Mpa条件下具有优异的蠕变性能，其1070℃蠕变抗力高于含Re的第二代镍基单晶高温合金。并且不同取向的蠕变性能各向异性在高温下明显减弱。 合金蠕变后微观组织及位错组态的透射电镜分析结果表明：在760℃/593MPa条件下，三种晶体取向试样位错运动的特征主要是以交滑移的方式在γ通道内运动。在980°C/205MPa条件下，位错的运动既可以通过交滑移的方式绕过γ′粒子，也可以采用切割的方式通过γ′粒子。在1100°C/75MPa条件下[001]取向试样的位错以切割的方式进入γ′基体，[011]取向试样的位错运动特征是以位错对的方式进入或通过γ′基体，而[111]取向试样的位错在γ通道内形成了致密的位错网络，但没有发生明显的切割γ′基体的现象，而以扩散攀移的方式运动。 采用第一性原理方法计算了不同晶体取向Ni3Al金属间化合物超结构晶胞的形成热、态密度、聚居数、弹性性能，以及计算了Ni3Al金属间化合物中添加Mo元素后的形成热及重叠聚居数。结果如下：[001]取向超结构晶胞具有最大的形成热，同时，[001]取向Ni3Al的费米能级最低，而[111]取向Ni3Al的费米能最高，[111]取向Ni3Al的聚居数也高于[001]及[011]取向Ni3Al的超结构晶胞，三种超结构晶胞结构的体弹性模量按照[001]取向→[011]取向→[111]取向顺序依次增大。以上计算结果表明[111]取向Ni3Al原子间的结合强度最高。另外，加入Mo原子后三个取向超结构晶胞原子间的键合强度都获得了提高，其中加入Mo原子后[111]取向Ni3Al超结构晶胞键合强度依然最高。经过分析比较，以上计算结果与实验中测试的不同取向Ni3Al基单晶合金IC6SX的高温持久性能及蠕变性能的结果相一致。关键词：Ni3Al，金属间化合物，单晶高温合金，晶体取向，持久性能，蠕变