中南大学考研，中南大学考研分数线2022
导读：铼 (Re) 是镍基单晶高温合金中最重要的强化元素，因为它具有低扩散系数、高熔点和高 γ 相和 γ’ 相之间的分配系数。然而，其对相稳定性的不利影响仍然是一个长期存在的有待解决的问题。本文报告了一种新的设计策略，通过用锇 (Os) 代替 Re 来提高镍基单晶高温合金的抗蠕变性和相稳定性，这与普遍的看法相矛盾。新设计的 CSU-Os-2 合金在 980 °C/200 MPa/100 h 下的蠕变速率低于商用 CMSX-4 合金。此外，与 CMSX-4 合金相比，CSU-Os-2 合金在 1100 ℃暴露 1000 小时后还具有更好的相稳定性。
镍基单晶高温合金具有典型的显微组织，具有高比例的共格沉淀 γ’（有序 fcc-L1 2结构）立方体，由 γ 基体的薄通道（无序 fcc-A1 结构）隔开，具有优异的机械性能并且在高温下具有高抗蠕变性和抗疲劳性，被广泛用作高压涡轮叶片的基本材料。为了满足涡轮入口温度不断提高的要求，Ni基单晶高温合金需要更高的抗蠕变变形能力和显微组织稳定性。在过去的几十年里，人们一直致力于在 Ni 基单晶高温合金中不断引入更高比例的难熔合金元素，如 Mo、W、Ta、Re 等，以提高其抗蠕变性和相稳定性。例如，W+Mo+Ta+Re 的总量从第二代的 16.4 wt.% 增加到第三代镍基单晶高温合金的 20.1 wt.%。其中，Re（铼）是增强蠕变变形能力最有效的改性剂，因为它具有极低的扩散系数、高熔点和对 γ 相的强分配行为。尽管具有诱人的好处，但在新一代 Ni 基单晶高温合金中添加更高量的 Re 可能会引发脆性拓扑密排 (TCP) 相的析出，从而加速合金的失效。
因此，全世界都在努力解决 TCP 降水的问题。一种可行的措施是引入合金元素 Ru（钌），因为它的添加可以逆转分配行为，增加 Re 和 W 在 γ 基体相中的溶解度, 降低 TCP/γ 界面能和 γ/γ’ 失配应变能。不幸的是，Ru 的添加也可能导致拓扑反转的发生，尤其是在高温下，这反过来会影响镍基单晶高温合金的蠕变断裂寿命。因此，有动力寻找其他可能的元素来替代 Re 或 Re/Ru，旨在探索新型镍基单晶高温合金。一种有效的策略是在Ni基单晶高温合金的γ-基体中寻找互扩散系数与Re相当甚至低于Re的元素。通过将 HitDIC 软件与扩散耦合/多重技术相结合，可以有效地确定一系列二元、三元和多组分 γ Ni 基合金中与温度和成分相关的相互扩散系数。γ Ni-X 和 Ni-Al-X（X = Co、Cr、Ir、Mo、Nb、Os、Pt、Re、Rh、Ru、Ta、Ti 和 W）合金中相互扩散系数的综合比较1423∼1573 K 表明，Os 的相互扩散系数与 Re 一般相当，在较高温度（即≥ 1300°C）下甚至更低。就 γ 基体中的互扩散系数而言，Os 可能是 Ni 基单晶高温合金中 Re 的一种潜在替代元素。
从固溶强化、抗蠕变性和显微组织稳定性方面对镍基单晶合金中锇替代铼的可能性进行了详细的理论分析。在得到肯定证实的情况下，中南大学粉末冶金国家重点实验室张利军团队通过将商业 CMSX-4 合金中的 Re 替换为 Os 设计了一种名为 CSU-Os-2 的新型无 Re 镍基高温合金，然后成功制备成单晶棒。通过适当的固溶和时效热处理，偏析几乎得到缓解，并像商业合金一样产生了典型的γ/γ’微结构。在1100 ℃/1000 h暴露条件下，CSU-Os-2合金的γ’析出物的聚结比CMSX-4合金慢，没有观察到TCP相。在 980 °C/200 MPa/100 h 蠕变变形后，CSU-Os-2 合金的蠕变速率低于 CMSX-4 合金。所有吸引人的特性/性能都可以通过 γ 和 γ’ 相之间更高的分配系数以及很可能在 γ 相中 Os 的扩散系数低于 Re 来解释。新型无铼含锇镍基单晶高温合金的成功开发，具有增强的抗蠕变性和显微组织稳定性，无疑为下一代镍基单晶高温合金开辟了新方向。
相关研究成果以题“A novel Re-free Ni-based single-crystal superalloy with enhanced creep resistance and microstructure stability”发表在增材制造顶刊Acta Materialia上。
链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1359645422007157
图 1。详细分析 Ni 基单晶高温合金中用 Os 替代 Re 的可能性的示意图。(a) Os 或 Re 在 γ 相中的溶解度。(b) 第二代/第三代镍基单晶高温合金在 1200°C 时的蠕变性能指数。(c) γ/γ’ 之间的晶格失配。
图 2。详细分析 Ni 基单晶高温合金中用 Os 替代 Re 的可能性的示意图。(a1) Ni-Al-Cr 在 1200°C 的等温剖面，(a2) Ni-Al-Cr-Os 在 1200°C 的等温四面体，(a3) Ni-Al-Cr-Re 在 1200° 的等温剖面C。(b) Ni/Re/Os 的原子性质。
图3。设计的超合金 CSU-Os-2 的显微组织观察。(a) 铸造合金在(001)面上具有典型的枝晶结构。在固溶热处理之前，γ’ 析出物在枝晶核 (b) 和枝晶间区域 (c) 中均呈不规则形状。(d) 在枝晶间区域经常观察到共晶。经过固溶和时效热处理后，该合金由典型的γ/γ’显微组织组成，在枝晶核（e）和枝晶间区域（f）具有立方形状的γ’析出物。
图 4。在铸态 (a) 和处理后 (b) 合金 CSU-Os-2 中，元素从枝晶核到枝晶间区域的偏析。在铸态合金中，Os、W、Cr和Co向枝晶间区域偏析成枝晶核等元素。热处理后，Os 和 W 的偏析行为虽然大大减轻，但其他元素几乎完全均质化。
图 5。合金 CSU-Os-2 在 1100 °C 下长达 1000 小时的相稳定性。显微镜观察发现，在不同的暴露时间下，枝晶核 (a) 和枝晶间区域 (b) 均未形成 TCP。γ’ 沉淀物的聚结在 400 小时后开始。
图 6。(a) 在 980 °C/200 MPa 下 100 小时后蠕变应变对时间的依赖性。两个 CSU-Os-2 样品的蠕变应变测量为 0.062% 和 0.069%，而 CMSX-4 样品的蠕变应变为 0.085% 和 0.099%。显微观察表明，蠕变CSU-Os-2合金中的γ’析出物在（001）平面（b，c）和横截面（d）上保持相对不变。相比之下，在 CMSX-4 合金中，γ’ 析出物的聚结和显着漂流分别发生在 (001) 平面 (e, f) 和横截面 (g) 上。
图 7。TEM观察γ/γ’微观结构和元素分配行为。(a) 在蠕变变形之前，γ’ 析出物基本为长方体，Os、Co、Cr 分配到 γ 通道和其他元素向 γ’ 相。(b) 变形后，与未变形试样相比，γ’ 析出物略微垂直于<001>方向漂流，元素分区增强。
图 8。原子探针断层扫描图和元素浓度分布。
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