定向凝固NiAl-28Cr-5.8Mo-0.2Hf合金的高温拉伸蠕变行为

单晶高温合金与定向凝固的文献综诉

绪论航空发动机涡轮叶片的运行经验表明，大多数裂纹都是沿着垂直于叶片主应力方向的晶粒间界即横向晶界上产生和发展的。因此消除这种横向晶界，则可大大提高叶片抗裂纹生长能力。定向凝固就是基于这种设想对叶片铸件的凝固过程进行控制，以获得平行干叶片轴向的柱状晶粒组织。柱状晶之间只有纵向晶界而无横向品界，这就是定向凝固的柱晶叶片，如果采取某些措施，只允许有一个晶粒成长的柱晶，从面消除了一切晶界，这就是单晶叶片。由于定向凝固技术用于真空熔铸高温合金涡轮叶片，航空发动机的材料和性能有了极大的提高，特别是单晶叶片的性能和使用寿命比普通精铸叶片提高了许多倍，因此自70年代初期，定向凝固高温合金涡轮叶片开始应用以来，世界各先进的军用及民用航空发动机都普遍采用定向凝固或单晶铸造叶片。 1.定向凝固 1.1定向凝固原理进行定向凝固以得到连续完整的柱状晶组织，必须满足以下两基本条件: (l)在整个凝固过程中，铸件的固一液相界面上的热流应保持单一方向流出，使成长晶体的凝固界面沿一个方向推进; (2)结晶前沿区域内必须维持正向温度梯度，以阻止其他新晶核的形成。 1.1.1定向凝固过程定向凝固时合金熔液注入壳型，首先同水冷底板相遇，于是靠近板面的那一层合金熔液迅速冷至结晶温度以下而开始结晶，但此时形成的晶粒，其位向是混乱的，各个方向都有。在随后的凝固进行过程中，由于热流是通过已结晶的固体金属合金有方向性地向冷却板散热，且结晶前沿是正向温度梯度，根据立方晶系的金属及合金（Ni、Fe、Co等及其高温合金）在结晶过程中晶体<100>是择优取向，长大速度最快，从而那些具有<100>方向的晶粒择优长大，而将其他方向的晶粒排挤掉。只要上述定向凝固条件保持不变，取向为<100>的柱状晶继续生长，直到整个叶片，如图1-1所示。

高温合金成型方法

高温合金成型方法：熔模精密铸造，铸锭冶金（包括挤压、轧制、锻造等）粉末冶金，定向凝固。高温合金的几种成型方法的工艺路线粉末冶金高温合金如TiAl基合金的室温塑性较差，用常规塑性变形的方法加工极为困难。粉末冶金法可以很好的解决这一问题。这种方法以合金或单质粉末为原材料，通常先采用常规塑性加工方法（如模压、冷等静压等）对粉末进行固结成形，在经烧结就可直接获得特定形状的零件，同时实现制件的近终成型，这样就避免了对TiAl基合金的后续加工。同时，相比于铸造合金，采用粉末冶金法所制得的材料组织更为均匀、细小。目前基于高温合金粉末冶金的具体方法主要有:机械合金化、反应烧结、预合金粉末法、自蔓燃—高温合成、爆炸合成等。这些方法常常两种或多种方法结合在一起使用，难以严格区分。但是，粉末冶金方法制得的TiAl基合金部通常含有较多的杂质含量（如氧、氮等），并且粉末冶金制得合金组织不致密，内部经常存在孔隙，这些都严重的限制了粉末冶金方法的应用及推广。部分学者采用热锻以及包套挤压方法在一定程度上减少了孔隙率，较大的提高了TiAl基合金的力学性能。在但由于Ti、Al 元素扩散系数差别太大，元素反应扩散距离大，以及柯肯达尔效应的影响，均匀、高致密度的TiAl基合金仍然比较难以获得。因此，在高纯粉末的制备、烧结工艺

的优化、杂质的控制、提高合金的致密度等方面，粉末冶金还有较长的路要走。铸锭冶金铸锭冶金是合金熔炼、铸造、锻造和轧制等技术的综合，是目前TiAl 基合金的典型加工工艺。一般由铸造出来的铸锭，组织都比较粗大，成分由于偏析的存在而不均匀，并且内部也或多或少的存在缩松、缩孔等缺陷。铸锭在进行塑性加工之前，一般要对其进行热等静压，实现对铸锭的均匀化处理。这样可以一定程度上除合金成分的偏析，同时合金铸锭中的微观缩孔或孔洞也能被压实、焊合，这就可以防止铸锭在后续热加工过程中由于微观缩孔与孔洞引起的应力集中或合金的不均匀流变造成的铸锭的变形开裂。对Al>46%(原子)的合金热等静压多选择在1260℃/175MPa 进行。通过对铸锭的进行热加工，可以破碎粗大的铸态组织，细化晶粒，进一步减小微观缩孔或孔洞的影响，较大幅度的提高TiAl 基合金的力学性能。通常使用的热加工工艺主要有等温锻造、包套锻造、热轧制或热挤压等。等温锻造区间一般为1065~1175℃，名义应变速率在10-2~10-3/s之间，压缩比为4:1~6:1；在这种工艺条件可保证铸锭有良好的塑性同时又不开裂，所获得的组织中有超过50%的板条组织球化。在锻造过程中增大保压时间、将锻件在锻模内短暂停留或在两步锻造中间进行热处理都可以促进球化。从而细化组织，提高材料的力学性能。包套锻造可以在锻坯外设置包套，在锻坯与包套材料之间采用隔热材料，使锻件在的一定范围内保持均匀的温度，从而得到细小、均匀的显微组织及良好的锻坯表面质量。包套材料一般采用不锈钢、TC4合金或工业纯钛，目前最好的隔热材料是SiO2纤维网[38]。包套技术与挤压技术结合起来，形成了包套挤压技术，这种技术也能极大程度的优化TiAl 基合金的组织和性能。目前比较热门的方向是综合利用铸锭冶金的方法，采用轧制的方法制备TiAl 基合金板材，哈尔滨工业大学陈玉勇教授带领的课题组在这方面做了许多功能工作，取得了较大的成果。离心铸造离心铸造是指将液态金属浇入旋转的铸型中，使金属液在离心力作用下完成充填和凝固成型的一种铸造方法。为了实现这种工艺过程，必须采用专门的设备—离心铸造机(简称为离心机)，提供使铸型旋转的条件。根据铸型旋转轴在空间位置的不同，常用的离心机分为立式离心铸造机和卧式离心铸造机两种。立式离心铸造的铸型是绕垂直轴旋转的，卧式离心铸造机的铸型是绕水平轴旋转的。离心铸造可采用多种的铸型，如金属型、砂型、石膏型、石墨型陶瓷型及熔

一种镍基单晶高温合金的蠕变各向异性

１３６６金属学报第４５卷图２【ｏｏｌ】及【０１１】取向合金拉伸蠕变曲线Ｆｉｇ?２Ｔｅｎｓｉｌｅｃｒｅｅｐｃｕｒｖｅｓｏｆ【００１】ａｎｄ［０１１ｊｏｒｉｅｎｔｅｄａｌｌｏｙｓａｔ７５０℃／７５０ＭＰａ（ａ）ａｎｄ９８２＂Ｃ／２４８ＭＰａ（ｂ）囝３合金在７５０℃／７５０ＭＰａ条件下蠕变断裂后的ＳＥＭ像Ｆｉｇ?３ＳＥＭｉｍａｇｅｓｏｆ【００１】（ａ）ａｎｄ【０１１】（ｂ）ｏｒｉｅｎｔｅｄｓａｍｐｌｅｓａｆｔｅｒｃｒｅｅｐｉｎｇａｔ７５０℃／７５０ＭＰａ，７７ｐｈａｓｅｉｎＦｉｇ．３ａｓｔｉｌｌｈａｖｉｎｇｃｕｂｉｃｓｈａｐｅ，ｔｈｅｗｈｉｔｅｌｉｎｅｓｉｎＦｉｇ．３ｂｉｎｄｉｃａｔｉｎｇｔｈｅｂｏｕｎｄａｒｉｅｓｏｆａｔｗｉｎｆＳ．Ｄ．—＿ｓｔｒｅｓｓａｘｉｓｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）图４合金在９８２℃／２４８ＭＰａ条件下蠕变断裂后的ＳＥＭ像Ｆｉｇ?４ＳＥＭｉｍａｇｅｓｏｆＮｔｙｐｅｒａＲｉｎ［Ｏ（Ｈ】ｏｒｉｅｎｔｅｄａｌｌｏｙ（ａ）ａｎｄｉｎｃｌｉｎｅｄｒａｆｔａｎｄａｆｃｗｔｗｉｎｓｉｎ【０１１】ｏｒｉｅｎｔｅｄａｌｌｏｙ（ｂ）ａｆｔｅｒｃｒｅｅｐｉｎｇａｔ９８２℃／２４８ＭＰａ单品试样在９８２℃／２４８ＭＰａ条件下的７基体及７７相的ＳＥＭ像．可见，［００１］及［０１１】取向试样中７７相均已形筏，［００１】取向试样的筏形比较规则，筏化方向垂育丁应力轴；【０１１］取向试样的筏化方向与应力轴的夹角约为４５０，而且在试样中出现了贯通，ｙ基体及７７相的孪晶组织（图４ｂ中划线处），这表明温度和取向对７７相形貌均有重要影响．ｆｃｃ晶体巾独市的滑移系较多，通常不产生孪品，但［０１１】取向处于有利方向的滑移系较少，【大『此孪晶成为一种必要的辅助变形机制【６，７１．孪晶带和基体的基轴与应力所成的夹角不Ｉ—Ｊ，孪晶与基体难以协调变形，由此产生的应力集中易促使裂纹在孪晶内或沿孪品界荫生，图５所示即为裂纹萌生于孪品界．２．３位错组态图６为合金在７５０℃／７５０ＭＰａ条件下蠕变断裂后的位错组态．可见，在ｆ００１】取向合金中，在基体通道及７／７７相界而上存在大量的位错，至少有２种不｜可方向的

铸造高温合金发展的回顾与展望

第20卷第1期2000年3月航空材料学报 JOURNAL OF AERONAUT ICAL M ATERIALS Vol.20,No.1 M arch2000 铸造高温合金发展的回顾与展望陈荣章1 王罗宝1 李建华2 (1.北京航空材料研究院,北京100095; 2.中国人民大学,北京100872) 摘要:回顾了20世纪40年代以来铸造高温合金发展中的若干重大事件:叶片以铸代锻;真空熔炼技术;定向凝固及单晶合金;合金成分设计;Ni3Al基铸造高温合金;合金凝固过程数值模拟;细晶铸造。展望了铸造高温合金21世纪的发展:单晶高温合金仍然是最重要的涡轮叶片材料;继续靠工艺的发展挖掘合金潜力;发展有希望的替代材料。关键词:合金发展;铸造高温合金;燃气涡轮叶片中图分类号:T G24 文献标识码:A 文章编号:1005 5053(2000)01 0055 07 自从20世纪40年代初期第一台航空喷气发动机采用第一个铸造涡轮工作叶片以来,铸造高温合金的发展经历了一段曲折而又辉煌的历程。众所周知,航空发动机的发展与高温合金的发展是齐头并进、密不可分的,前者是后者的主要动力,后者是前者的重要保证。占据着航空发动机中温度最高、应力最复杂的位置的铸造涡轮叶片的合金发展尤其是这样。半个世纪以来,航空发动机涡轮前温度从40年代的730 提高到90年代的1677 ,推重比从大约3提高到10[1],这一巨大进展固然离不开先进的设计思想、精湛的制造工艺以及有效的防护涂层,但是,高性能的铸造高压涡轮叶片合金的应用更是功不可没。40年代以来,标志着铸造高温合金性能水平的在140M Pa/100h条件下的承温能力从750 左右提高到当前的1200 左右(图1),是十分令人鼓舞的巨大成就。在这世纪之初回顾铸造高温合金发展的历程,不能不提到如下几件使人难忘的重大事件。叶片以铸代锻 1943年,美国GE公司为其J 33航空发动机选用了钴基合金H S 21制作涡轮工作叶片,代替原先用的锻造高温合金H astelloy B。当时为了考核铸造高温合金作为转动件的可靠性,宇航局(NASA)有关部门曾对两种合金叶片同时进行台架试车鉴定。结果表明, HS 21完全可以代替H astelloy B制作涡轮转子叶片,从此开创了使用铸造高温合金工作叶片的历史[2,3]。之后,又谨慎地对X 40,GM R 235等铸造合金进行类似的考核研究,使铸造叶片的应用有所扩大。随着发动机推力的增大,叶片尺寸增大,当时发现叶片的主要失效模式从蠕变断裂转变为疲劳断裂,而铸造叶片由于晶粒粗大且不均匀,疲劳性能远低于锻造合金,加之当时出现了性能较高的沉淀硬化型镍基锻造高温合金,例如Nimonic80A, Udimet500,W aspaloy, 437 , 617等,而且锻造技术有所进步,这就使设计师又把叶片选收稿日期:1999 09 20 作者简介:陈荣章(1937 ),男,研究员

高温合金ASUG应用解析

高温合金A S U G应用解析文档编制序号：[KKIDT-LLE0828-LLETD298-POI08]

SUH660 镍基合金（UNS S66286/A286/SUH660/GH2132/）简介 SUH660（UNS S66286/A286/SUH660/GH2132/）是Fe-25Ni-15Cr基高温合金，加入钼、钛、铝、钒及微量硼综合强化。有可时效硬化高的机械性能。该合金在温度高达约1300°F（700℃）保持良好的强度和抗氧化性能。在700℃以下具有优于奥氏体不锈钢的高温强度，属于沉淀析出硬化耐热不锈钢。与SUS 304相比Ni含量多，且添加有Ti、Al 等硬化元素。因此，通过时效硬化处理，会有γ’相(fcc_Ni3(Al,Ti))析出，高温强度将得到显着提高。在650℃以下具有高的屈服强度和持久、蠕变强度，并且具有较好的加工塑性和满意的焊接性能。 SUH660高强度和优异的加工特性使该合金用于飞机的各种部件和有用工业燃气涡轮机。它也用于汽车发动机紧固件和应用多方面受到高层次的热量和压力的元器件，和近海石油和天然气行业。适合制造在650℃以下长期工作的航空发动机高温承力部件，如涡轮盘、压气机盘、转子叶片、紧固件、承力环、机匣、轴类、紧固件、和板材焊接承力件等。 SUH660/A286相近牌号 GH2132(中国)，UNS S66286(美国)，A286（美国），SUH660(日本)，(德国) 技术文件 SUH660/A286材料特性 ·铁基高温 ·高强度合金 SUH660/A286主要应用 ·燃气涡轮机锻件 ·适用于使用高达约1300°F的腐蚀环境，如燃气涡轮机 ·于1500°F的温度连续服务于氧化环境 ·飞机部件 ·汽车发动机紧固件 ·元器件 ·石油和天然气行业 SUH660/A286溶炼与铸造工艺 SUH660/A286合金可采用非真空感应+电渣，电弧炉+电渣和电弧炉+真空电弧以及真空感应+真空电弧等工艺溶炼。SUH660/A286生产执行标准中国国家标准

镍基高温合金材料研究进展汇总-共7页

镍基高温合金材料研究进展姓名：李义锋1 镍基高温合金材料概述高温合金是指以铁、镍、钴为基，在高温环境下服役，并能承受严酷的机械应力及具有良好表面稳定性的一类合金[1]。高温合金一般具有高的室温和高温强度、良好的抗氧化性和抗热腐蚀性、优异的蠕变与疲劳抗力、良好的组织稳定性和使用的可靠性[2]。因此，高温合金既是航空、航天发动机高温部件的关键材料，又是舰船、能源、石油化工等工业领域不可缺少的重要材料，已成为衡量一个国家材料发展水平的重要标志之一。在整个高温合金领域中，镍基高温合金占有特殊重要的地位。与铁基和钴基高温合金相比，镍基高温合金具有更高的高温强度和组织稳定性，广泛应用于制作航空喷气发动机和工业燃气轮机的热端部件。现代燃气涡轮发动机有50%以上质量的材料采用高温合金，其中镍基高温合金的用量在发动机材料中约占40%。镍基合金在中、高温度下具有优异综合性能，适合长时间在高温下工作，能够抗腐蚀和磨蚀，是最复杂的、在高温零部件中应用最广泛的、在所有超合金中许多冶金工作者最感兴趣的合金。镍基高温合金主要用于航空航天领域950-1050℃下工作的结构部件，如航空发动机的工作叶片、涡轮盘、燃烧室等。因此，研究镍基高温合金对于我国航天航空事业的发展具有重要意义。镍基高温合金是以镍为基体(含量一般大于50 )、在650～1000℃范围内具有较高的强度和良好的抗氧化、抗燃气腐蚀能力的高温合金[2]。它是在Cr20Ni80合金基础上发展起来的，为了满足1000℃左右高温热强性(高温强度、蠕变抗力、高温疲劳强度)和气体介质中的抗氧化、抗腐蚀的要求，加入了大量的强化元素，如W、Mo、Ti、Al、Nb、Co等，以保证其优越的高温性能。除具有固溶强化作用，高温合金更依靠Al、Ti等与Ni形成金属问化合物γ′相(Ni3A1或Ni3Ti等)的析出强化和部分细小稳定MC、M23C6碳化物的晶内弥散强化以及B、Zr、Re等对晶界起净化、强化作用。添加Cr的目的是进一步提高高温合金抗氧化、抗高温腐蚀性能。镍基高温合金具有良好的综合性能，目前已被广泛地用于航空航天、汽车、通讯和电子工业部门。随着对镍基合金潜在性能的发掘，研究人员对其使用性能提出了更高的要求，国内外学者已开拓了针对镍基合金的新加工工艺如等温锻造、挤压变形、包套变形等。

定向凝固技术及其应用

定向凝固技术及其应用 1.定向凝固理论基础及方法定向凝固又称定向结晶，是指金属或合金在熔体中定向生长晶体的一种方法。定向凝固技术是在铸型中建立特定方向的温度梯度，使熔融合金沿着热流相反的方向，按要求的结晶取向进行凝固铸造的工艺。它能大幅度地提高高温合金综合性能。定向凝固的目的是为了使铸件获得按一定方向生长的柱状晶或单晶组织。定向凝固铸件的组织分为柱状、单晶和定向共晶3种。要得到定向凝固组织需要满足的条件，首先要在开始凝固的部位形成稳定的凝固壳，凝固壳的形成阻止了该部位的型壁晶粒游离，并为柱状晶提供了生长基础，该条件可通过各种激冷措施达到。其次，要确保凝固壳中的晶粒按既定方向通过择优生长而发展成平行排列的柱状晶组织，同时，为使柱状晶的纵向生长不受限制，并且在其组织中不夹杂有异向晶粒，固液界面前方不应存在生核和晶粒游离现象。这个条件可通过下述措施来满足：（1）严格的单向散热。要使凝固系统始终处于柱状晶生长方向的正温度梯度作用下，并且要绝对阻止侧向散热，以避免界面前方型壁及其附近的生核和长大。（2）要有足够大的液相温度梯度与固液界面向前推进速度比值以使成分过冷限制在允许的范围内。同时要减少熔体的非均质生核能力，这样就能避免界面前方的生核现象，提高熔体的纯净度，减少因氧化和吸氧而形成的杂质污染，对已有的有效衬底则通过高温加热或加入其他元素来改变其组成和结构等方法均有助于减少熔体的非均质生核能力。（3）要避免液态金属的对流。搅拌和振动，从而阻止界面前方的晶粒游离，对晶粒密度大于液态金属的合金，避免自然对流的最好方法就是自下而上地进行单向结晶。当然也可以通过安置固定磁场的方法阻止其单向结晶过程中的对流。从这三个条件我们可以推断，为了实现定向凝固，在工艺技术上必须采取措施避免侧向散热，同时在靠近固液界面的熔体中维持较高的温度梯度。定向生长理论和它的应用很大程度上取决于先进定向凝固技术。自从Bridgman和Stockbarger在20世纪20年达提出奠定了现代定向凝固和单晶生长技术基础的Bridgman定向凝固技术，定向凝固就被广泛运用于制备各种结构和功能材料。定向凝固技术最大的一个成果之一就是涡轮叶片的生产，这直接促进了高温合金材料设计上的巨大进步。自从这个突破后，一系列的定向凝固技术，比如：快速凝固技术（HRS），液态金属冷却（LMC）等可以提高定向凝固组织都发展起来。如今，定向凝固理论是一种重要的材料制备方法和一种研究凝固现象的有利工具。因此，研究和开发新的定向凝固方法吸引了世界范围内的材料工程师和科学家。定向凝固方法主要有以下几种：（1）发热剂法。将型壳置于绝热耐火材料箱中，底部安放水冷结晶器。型壳中浇入金属液后，在型壳上部盖以发热剂，使金属液处于高温，建立自下而上的凝固条件。由于无法调节凝固速率和温度梯度，因此该法只能制备晓得柱状晶铸件。（2）功率降低法。铸型加热感应圈分两段，铸件在凝固过程中不移动。当型壳被预热到一定过热度时，向型壳中浇入过热金属液，切断下部电源，上部继续加热。温度梯度随着凝固距离的增大而不断减少。（3）快速凝固法。与功率降低法的主要区别是铸型加热器始终加热，在凝固时铸件与加热器之间产生相对移动。另外，在热区底部使用辐射挡板和水冷套。在挡板附近产生较大的温度梯度。与功率降低法相比，该法可大大缩小凝固

定向凝固技术制取高温合金单晶铸件的思考

定向凝固技术制取高温合金单晶铸件的思考刘　健,李　理,曾　斌,彭广威Ξ (湘潭大学材料研究中心,湖南湘潭411105) 摘　要:回顾了单晶高温合金的发展历史,结合晶体学知识系统总结与分析了制取高温合金单晶的两种定向凝固技术的原理与晶体竞争生长机制.对两种方法现有工艺的优缺点进行了深入思考与比较,提出了两种制取任何所希望取向理想单晶的新方法,旨在为完善单晶高温合金的制取工艺提供新思路. 关键词:定向凝固;单晶高温合金;择优生长;选晶;籽晶中图分类号:TG244.3 文献标识码:A 文章编号:1671-119X(2005)02-0049-04 0　引　言自20世纪80年代初第一代单晶高温合金研制成功之后,单晶高温合金的发展甚为迅速.1988年,美国PW公司推出了工作温度比第一代单晶高温合金PWAl480约高30℃的PWAl484,继之又出现性能水平相当的ReneN5、CMSX—4等单晶高温合金,称为第二代单晶高温合金.时隔不到5年,1993年12月和1994年11月先后公布了两个标志着单晶高温合金的发展进入新阶段的第三代单晶高温合金ReneN6、CMSX—10[1].一代又一代单晶高温合金的相继出现和应用,为航空发动机和地面燃气轮机的性能大幅度提高作出了重大贡献.上个世纪90年代,几乎所有先进航空发动机都采用单晶高温合金.如推重比为10的发动机F119(美)、F120(美)、GE90(美)、E J200(英、德、意、西)、M882(法)、P2000 (俄)等[2].在单晶高温合金的生产和应用蓬勃发展的同时,各国高温合金同行们在单晶高温合金强化机制、凝固理论、环境抗力、合金设计、工艺优化等方面进行了愈加深入的研究,为提高力学性能、工艺性能和环境性能作了巨大的努力.我国从70年代末开始研究单晶高温合金及工艺,北京航空材料研究所、中国科学院金属研究所、冶金部钢铁研究总院、西北工业大学、上海交通大学等单位都对单晶高温合金和工艺进行过卓有成效的研究,研制成功一批单晶高温合金[3-4],井获得初步应用,建立了一套单晶工艺及设备.在单晶高温合金凝固理论、强化机制、取向控制以及数值模拟等方面进行过较深入的研究.但是无论是定向合金还是单晶高温合金,性能水平都还落后于国际先进水平.为此,廖世杰教授于1987年首次提出了若干定量评估定向凝固程度的参数[5],不仅使定向凝固程度有了定量的描述,最重要的是可以更深层次地检验定向凝固是否成功,从而将定向凝固理论向前推进.影响单晶铸件性能的因素主要是合金成分和制取工艺.在合金成分设计方面以日本金属技术研究所提出的新成分设计流程和d电子合金设计法最为成熟[2].制取单晶高温合金以正常凝固法中的定向凝固法应用最为广泛和最有效.固-液界面前沿液相中的温度梯度G L和晶体生长速度R是定向凝固技术的重要工艺参数, G L/R值是控制晶体长大形态的重要判据.因此,如何控制好固-液界面温度场从而获得具有理想晶体形态的单晶是非常重要的.当前很多人对固液界面温度场进行了深入研究,并且建立了大量描述定向凝固固液界面温度变化规律的数学模型.廖世杰等人先后建立了一种能够精确描述一维和二维定向凝固过程中固液界面温度场的理论模型[6-7],并且由此模型推导出了一系列热参数,包括温度梯度G L,凝固速度R,冷却速度V以及界面特征温度T c,这对于实时掌握动态的材料凝固过程从而采取相应措施控制它获得最佳凝固组织是非常有用的.尽管如此,但是综观单晶高温合金定向凝固法的发展历史, 第15卷第2期2005年6月湖南工程学院学报 Journal of Hunan Institute of Engineering Vo1.15.No.2 J une.2005 Ξ收稿日期:2005-01-02 作者简介:刘　健(1978-),男,硕士研究生,研究方向:定向凝固织构.

快速凝固技术

快速凝固技术的研究进展摘要：快速凝固技术是当材料科学与工程中研究比较活跃的领域之一，目前已成为一种金属材料潜在性能与开发新材料的重要手段。快速凝固技术得到的合金与常规合金有着不同的组织和结构特征，对材料科学和其它学科的理论研究以及开展实际生产应用起了重要的作用。介绍了快速凝固技术的原理和特点、主要方法和在实际中的应用和存在的问题。关键词：快速凝固技术；合金；应用；存在问题

1 引言随着对金属凝固技术的重视和深入研究，形成了许多种控制凝固组织的方法，其中快速凝固已成为一种具有挖掘金属材料潜在性能与发展前景的开发新材料的重要手段，同时也成了凝固过程研究的一个特殊领域[1]。过去常规铸造合金之所以会出现晶粒粗大，偏析严重、铸造性能差等缺陷的主要原因是合金凝固时的过冷度和凝固速度很小，这是由于它们凝固时的冷速很小而引起的。要消除铸造合金存在的这些缺陷，突破研制新型合金的障碍，核心是要提高熔体凝固时的过冷度，从而提高凝固速度，因此出现了快速凝固技术。目前，快速凝固技术作为一种研制新型合金材料的技术已开始研究了合金在凝固时的各种组织形态的变化以及如何控制才能得到符合实际生活、生产要求的合金。着重于大的温度梯度和快的凝固速度的快速凝固技术，正在走向逐步完善的阶段。 2 快速凝固技术 1960年美国的Duwez等用铜辊快淬法，首次使液态合金在大于107K/S的冷却速度下凝固，在Cu—Si合金中发现了无限固溶的连续固溶体；在Ag—Ge合金中出现新的亚稳相；在Au—Si合金中形成非晶结构。在快速冷却所形成的亚稳结晶组织中，出现了一系列前所未见的重要的结构特征，表现出各种各样比常规合金优异的使用性能[2]。此后，快速凝固技术和理论得到迅速发展，成为材料科学与工程研究的一个热点。快速凝固是指通过对合金熔体的快速冷却(≥104～106 K/s)或非均质形核被遏制，使合金在很大过冷度下，发生高生长速率(≥1～100 cm/s)凝固[3]。通过快速凝固技术获取的粉末和材料会具有特殊的性能和用途。由于它是一种非平衡的凝固过程[4]，详细的说就是凝固过程中的快冷、起始形核过冷度大，生长速率高，促使固液界面偏离平衡，生成亚稳相(非晶、准晶、微晶和纳米晶)，从

高温合金循环蠕变实验

No3.2008工程与试验September 2008 [收稿日期]　2008-06-26 [作者简介]　关逊(1969-),女,助理工程师,从事蠕变实验工作。刘庆(1961-),男,工程师,从事蠕变实验工作。郭建亭(1938-), 男,研究员。博士生导师,从事高温合金与金属间化合物的研究。高温合金循环蠕变实验关　逊,刘　庆,郭建亭 (中国科学院金属研究所,辽宁沈阳110016) 摘　要:本文利用装配有EDC 数字控制器的高温电子蠕变试验机开展了一种镍基高温合金的循环蠕变实验。结果表明与恒载荷静态蠕变相比,两种方式(矩形波和锯齿波)载荷循环降低了合金蠕变寿命,但对蠕变塑性并没有影响。关键词:高温合金;循环蠕变实验;循环载荷中图分类号:T G 132.3 文献标识码:A Cyclic Creep Experimentation of Superalloy Guan Xun ,Liu Qing ,Guo Jianting (I nstit ute of M et al Research ,Chi nese A cadem y of S ciences ,L i aoni ng S heny ang 110016)Abstract :The cyclic creep test s of a Nickel 2base superalloy has been conducted on a High Temper 2at ure Elect rical Creep Machine equipped wit h an External Digital Controler (EDC ).Compared wit h t he constant load creep ,t he cyclic load in t he square and sawtoot h waveforms reduces t he creep life ,but has no effect on t he creep ductility of t he testing alloy.K eyw ords :superalloy ;cyclic creep test ;cyclic load 1　引言高温合金部件在高温服役期间,往往遭受静态应力和循环应力的联合作用,实际变形过程既不同于静态载荷作用下的纯蠕变变形,也不同于完全循环载荷作用下的纯疲劳变形,而是蠕变与疲劳交互作用的复杂变形过程[1～2]。对这种循环应力作用下复杂变形行为的研究方法有两种。第一种方法是完全模拟部件实际工作条件下的受力情况进行实验,实验结果可直接应用于指导设计。第二种方法是进行特定循环载荷作用下的蠕变实验(称之为循环蠕变实验),并与恒载荷作用下的蠕变行为(称之为静态蠕变)进行比较,以了解循环载荷对蠕变变形影响的基本规律。高温循环蠕变性能是高温合金设计与安全应用的重要指标之一。中国科学院金属研究所蠕变实验室引进装备有德国Doli 公司EDC (External Digital Cont roler )数字控制器的高温电子蠕变试验机,能够实现载荷控制、位移控制和变形控制。利用此试验机,本文开展了一种镍基高温合金的循环蠕变实验,进而评价循环载荷对合金蠕变行为的影响。 2　实验方法 211　实验合金实验合金DZ417G 是一种具有中国特色的先进定向凝固高温合金,用作某先进航空发动机的涡轮叶片材料。有关该合金的成分、制备工艺、性能特点等见文献[3]。实验用母合金经真空感应炉熔炼后,在定向凝固真空炉内以快速凝固法(温度梯度是850 C/cm ,凝固速度是7mm/min )制备直径16mm ,长130mm 的定向凝固园棒试样。随后对园棒试样进行两级热处理,即1220℃/4h ,AC.的固溶处理和980℃/16h ,AC.的时效处理。热处理试样机加工成标距100mm 的标准螺纹蠕变试样。 ? 42?

第一章合金凝固理论

1.解释概念成份过冷，有效分配系数，宏观偏析 2.杠杆定律的意义及适用条件。 3.两相平衡时，如何确定平衡相的成份，为什么？ 4.根据公切线法则，画出共晶温度时各相自由焓—成份曲线示意图。 5.合金结晶与纯金属有何不同？ 6.铜和镍固态完全互溶，它们的熔点分别是T Cu＝1083℃，T Ni=1452℃,问Ni－10%Cu及 Ni－50%Cu两种合金在浇铸和凝固条件相同的条件下，哪种合金形成柱状晶的倾向大？哪种合金的枝晶偏析严重？为什么？ 7.画图并说明共晶成分的Al-Si合金在快冷条件下得到亚共晶组织α＋（α＋Si）的原因。 8.画出Pb－Sn相图，求： l分析过共晶合金80%Sn的平衡结晶过程（写出反应式）、画出冷却曲线及组织示意图、写出结晶后的室温组织。 l求室温组织中组织组成物的相对重量、共晶组织中的共晶α及共晶β的相对重量。 l求室温组织中组成相的相对重量。 9.填空 l固溶体合金，在铸造条件下，容易产生___偏析，用___ 方法处理可以消除。 l Al－CuAl2共晶属于__ 型共晶，Al-Si共晶属于__型共晶，Pb－Sn共晶属于__型共晶。 l固溶体合金凝固时有效分配系数ke的定义是__。当凝固速率无限缓慢时，ke趋于__；当凝固速率很大时，则ke趋于__ 。 l K0<1的固溶体合金非平衡凝固的过程中，K0越小，成分偏析越____ , 提纯效果越_____；而K0>1的固溶体合金非平衡凝固的过程中，K0越大，成分偏析越____ , 提纯效果越_____。 l固溶体合金_____ 凝固时成分最均匀，液相完全混合时固溶体成分偏析（宏观偏析）最___ ，液相完全无混合时固溶体成分偏析最____ ，液相部分混合时固溶体成分偏析_________。 10.试说明在正温度梯度下为什么固溶体合金凝固时一般呈树枝状方式长大，而纯金属却得不到树枝状晶体？ 11.根据所示的Al-Si共晶相图，试分析下列（a,b,c）三个金相组织属什么成分并说明理由。指出细化此合金铸态组织的可能用途。 12.指出相图错误，并加以改正。

高温合金

1.高温合金的定义：高温合金是指以铁、镍、钴为基，能在600℃以上的高温及一定盈利作用下长期工作的一类金属材料。 2.高温合金的命名方法：变形高温合金以“GH”加4位阿拉伯数字表示。前缀后第一位数字表分类号，1、2表铁基或铁镍基，3、4表镍基，5、6表钴基；1、3、5表固溶强化型合金，2、4、6表时效沉淀型合金。前缀后的第2、3、4位表合金编号。铸造高温合金以“K”加3位阿拉伯数字表示。前缀后第一位数字表分类号，含义与变形合金相同，第2、3位表合金编号。粉末高温合金以“FGH”加阿拉伯数字表示。 3.高温合金主要用于四大热端部件：导向器、涡轮叶片、涡轮盘、燃烧室。 4.常见的高温合金基体有哪几种？铁基镍基钴基 5.高温合金的固溶强化机制：固溶度小的合金元素较之固溶度大的合金元素，会产生更强烈的固溶强化作用，但其溶解度小却又限制其加入量。 6.合金元素的固溶强化能力排序：Cr

Ti-6Al-4V合金与Ti-TiBw复合材料定向凝固行为

Ti-6Al-4V合金与Ti-TiBw复合材料定向凝固行为钛合金及钛基复合材料具有高的比强度、比模量、耐高温、耐腐蚀等优异性能,在航空、航天、能源、化工等领域得到了广泛应用。随着科技的迅猛发展,研发具有优良综合性能的新型钛材及其复合材料引起了人们的极大关注。定向凝固技术可显著改善材料的微观组织,从而提升各向异性材料在特定方向的性能。在TiB晶须增强Ti基复合材料中,TiBw晶须的分布状态以及TiBw与基体之间的位向关系对材料性能具有重要影响,基于此,本课题提出了采用定向凝固技术制备TiBw晶须增强Ti基复合材料的思路,在此基础上研究定向凝固行为对其微观组织和性能的影响。本文采用Bridgman定向凝固方法, 对纯Ti(TAl)、Ti-6Al-4V(TC4)合金以及Ti-TiBw复合材料的定向凝固行为进行了研究。通过金相显微镜(OM)、扫描电镜(SEM),电子背散射衍射(EBSD)等方法系统分析了定向凝固参数对TAl、TC4合金及 Ti-TiBw复合材料的微观组织的影响,利用XRD结合EBSD对以上材料的微观组织及其取向行为进行了探讨,揭示了抽拉速率对凝固组织的影响规律,阐释了以上材料在不同条件下的定向凝固生长行为,并研究了TiBw增强Ti基复合材料基体与增强相在定向凝固过程中的相互影响,主要研究结果如下:在TAl纯钛定向区,随着抽拉速率的降低, 其对一次枝晶择优生长的影响逐渐增强,当抽拉速率降至5 μm/s时,在定向区基本实现了试样一次枝晶沿抽拉方向的定向生长。通过对XRD衍射图谱相对峰强变化的分析,定性的研究了材料晶体取向的变化规律。在Ti-6Al-4V合金中,5μm/s时实现一次枝晶的的定向生长,

定向凝固技术

定向凝固技术 1、定向凝固的研究状况定向凝固成形技术是伴随高温合金的发展而逐渐发展起来的，是在凝固过程中采用强制手段，在凝固金属和未凝固熔体中建立起特定方向的温度梯度，从而使熔体沿着与热流相反的方向凝固，以获得具有特定取向柱状晶的技术。定向凝固技术很好的控制了凝固组织的晶粒取向，消除横向晶界，提高了材料的纵向力学性能，因而自美国普拉特·惠特尼航空公司采用高温合金定向凝固技术以来，这项技术得到广泛的应用。 1.1定向凝固理论的研究定向凝固理论的研究，主要涉及定向凝固中液-固界面形态及其稳定性，液-固界面处相变热力学、动力学，定向凝固过程晶体生长行为以及微观组织的演绎等，其中包括成分过冷理论、MS 界面稳定性、线性扰动理论、非线性扰动理论等。从Chalmers[1]等的成分过冷理论到Mullins[2]等的界面稳定动力学理论(MS理论)，人们对凝固过程有了更深刻的认识。下面主要分析一下成分过冷理论和界面稳定性理论。（1）成分过冷理论成分过冷理论是针对单相二元合金凝固过程界面成分的变化提出的，如对于平衡分配系数小于1的合金在冷却下来时，由于溶质在固相和液相中的分配系数不同，溶质原子随着凝固的进行，被排挤到液相中去，并形成一定的浓度梯度，与这种溶质梯度相对应的液相线温度与真实温度分布之间有不同的值，其差值大于零时，意味着该部分熔体处于过冷状态，有形成固相的可能性而影响界面的稳定性。Chalmers等人通过分析得出了成分过冷的判据，确定了合金凝固过程中固液界面前沿的形态取决于两个参数：GL/v和GL·v，即分别为界面前沿液相温度梯度和凝固速度的商和积。前者决定了界面形态，而后者决定了晶体的显微组织（即枝晶间距或晶粒大小）[3]。成分过冷理论能成功的判定无偏析特征的平面凝固的条件，避免胞晶或枝晶的生成。但是成分过冷理论只考虑了温度梯度和浓度梯度这两个具有相反效应的因素对界面稳定性的影响，忽略了非平面界面的表面张力、凝固时的结晶潜热及固相中温度梯度等的影响。[4] （2）MS稳定性理论针对成分过冷理论存在的问题，Mullins等研究人员研究了温度场和浓度场的干扰行为、干扰振幅和时间的依赖关系以及它们对界面稳定性的影响，在1964年提出了界面稳定性的动力学理论（MS稳定性理论），总结出平界面绝对稳定性判据。 MS稳定性理论成功的预言了[5]：随着生长速度的增加，固液界面形态将经历从平界面-胞晶-树枝晶-胞晶-带状组织-绝对稳定平界面的转变。近年来对MS理论界面稳定性条件所做的进一步分析表明，MS理论还隐含着另一种绝对性现象，即当温度梯度G超过一临界值时，温度梯度的稳定化效应会完全克服溶质扩散的不稳定化效应，这时无论凝固速度如何，界面总是稳定的，这种绝对稳定性称为高梯度绝对稳定性。但是这种理论只适合稀溶液，即低溶质质量分数的情况，并且忽略了凝固速率对溶质分配因数的影响。 1.2定向凝固技术的研究熔体中的热流垂直于固/液界面并严格的单向导出，是定向凝固成功的关键。伴随着对热流控制技术的发展，研究者对定向凝固技术进行多种方法的改进，不断细化材料的结构组织，大大提高了温度梯度和凝固速度，制备出的材料性能大幅度提高。伴随着对热流控制（不同的加热、冷却方式）技术的发展，传统定向凝固技术经历了发热剂法（EP）、功率降低法(PD)、高速凝固法(HRS)、液态金属冷却法(LMC)、流态床冷却法(FBQ)等多种方法的发展。传统定向凝固工艺的主要缺点[6]是冷却速度慢，这样就使得凝固组织

铝基合金高温相变储热材料

铝基合金高温相变储热材料一、研究背景因使用化石能源造成的温室气体排放和环境污染对人类的生存和发展构成了严重威胁，并且化石能源资源有限，终将可能枯竭，因此开发清洁的可再生能源是全球各国面临的重大挑战．在水能、太阳能、风能、生物质能等可再生能源中，太阳能因其储量的无限性、存在的普遍性、利用的清洁性和开发的经济性[1]成为最重要的可再生能源。太阳能发电模式主要有光伏和光热两种模式，太阳能热发电技术因其供电连续稳定、成本低等优点，将成为未来太阳能发电的主要方式之一。太阳能热发电技术客观上要求发展高效率、低成本的高温潜热能存储技术。在太阳能热发电技术中，储热技术可在太阳能流高峰时吸热、低谷时放热，能解决太阳能流的不连续性，使塔式、槽式或蝶式发电系统连续稳定的发电，成为太阳能热发电技术的关键。相变储热材料具有相变潜热大、储热密度高、吸放热过程近似等温等优点，是目前最有效的储热方式之一。在120～1 000℃温度区间内基于无机盐和金属合金的相变储热材料有几百种，其中铝合金相变储热材料具有储热密度大、抗高温氧化性强、热稳定性好、导热系数大、过冷度小、相偏析小及性价比高等优点，在太阳能高温热发电技术中有着较好的应用前景。热能存储研究。二、储热材料概述材料蓄热的本质在于它可将一定形式的热量在特定的条件下贮存起来，并能在特定的条件下加以释放和利用。因此可以实现能量供应与人们需求一致性的目的，并达到节能降耗的作用。这一本质，也决定了蓄热材料必须具有可逆性好、贮能密度高、可操作性强的特点。蓄热方式按蓄热方式划分，蓄热材料一般可分为：显热型、潜热型和化学反应型3大类。在这3大类蓄热材料中，潜热型最具有发展前途，也是目前应用最多和最重要的蓄热方式。 1)显热储热材料显热储热材料主要有：土壤、地下蓄水层、砖石、水泥及Li20与A1203、Ti02、B203、Zr02等混合高温烧结成型的显热储热材料。它是利用物质本身温度的变化过程来进行热量的储存。由于可采用直接接触式换热，或者流体本身就是储热介质，因而蓄放热过程相对简单，是早期应用较多的储热材料。在所有的储热材料中显热储热技术是最为简单也比较成熟。由于显热储热材料是依靠储热材料本身的温度变化来进行热量贮存的，放热过程不能恒温，储热密度小，造成储热设备的体积庞大，储热效率不高，而且与周围环境存在温差会造成热量损失，热量不能长期储存，不适合长时间、大容量储热，限制了显热储热材料的进一步发展。

第三章二元合金相图和合金的凝固

第三章二元合金相图和合金的凝固一．名词解释相图、相律、匀晶转变、共晶转变、包晶转变、共析转变、包析转变、异晶转变、平衡结晶、不平衡结晶、异分结晶、平衡分配系数、晶内偏析、显微偏析、区域偏析、区域提纯、成份过冷、胞状组织、共晶组织、亚共晶组织、过共晶组织、伪共晶、离异共晶、二．填空题 1.相图可用于表征合金体系中合金状态与和之间的关系。 2.最基本的二元合金相图有、、。 3.根据相律，对于给定的金属或合金体系，可独立改变的影响合金状态的内部因素和外部因素的数目，称为，对于纯金属该数值最多为，而对于二元合金该数值最多为。 4.典型的二元合金匀晶相图，如Cu-Ni二元合金相图，包含、两条相线，、、三个相区。 5.同纯金属结晶过程类似，固溶体合金的结晶包括和两个基本过程。 6.勻晶反应的特征为_____________，其反应式可描述为________ 。 7.共晶反应的特征为_____________，其反应式可描述为___________ _。 8.共析反应的特征为_____________，其反应式可描述为_____________。 9.金属或合金在极缓慢冷却条件下进行的结晶过程称为。纯金属结晶时所结晶出的固相成分与液相成分，称为；而固溶体合金结晶时所结晶出的固相成分与液相成分，称为。 10.固溶体合金经不平衡结晶所产生的两类成分偏析为、。 11.固溶体合金产生晶内偏析的程度受到溶质原子扩散能力的影响，若结晶温度较高，溶质原子的扩散能力小，则偏析程度。如磷在钢中的扩散能力较硅小，所以磷在钢中的晶内偏析程度较，而硅的偏析较。 12.固溶体合金结晶后出现枝晶偏析时，结晶树枝主轴含有较多的________组元。严重的晶内偏析降低合金的，为消除枝晶偏析，工业生产中广泛采用的方法。 13.根据区域偏析原理，人们开发了，除广泛用于提纯金属、金属化合物外，还应用于半导体材料及有机物的提纯。通常，熔化区的长度，液体