Ti和Ta的协同作用对新型钴基单晶高温合金组织与蠕变行为的影响机理

Although Co-base superalloys exhibit superior hot corrosion and thermal fatigue resistance, they are only used for stationary components in advanced gas turbines due to their significant lower high-temperature strength and temperature capability than those of Ni-base superalloys with γ′ strengthening precipitates. Recently, similar γ′ phase with high-temperature stability have been reported in Co-Al-W system, which provides a pathway for the development of this new class of Co-base alloys. Our previous research showed that the synergetic effects of Ti and Ta pronouncedly increased γ′ solvus temperature, which might improve the temperature capability by 50℃ for this class of alloys. In the current study, both individual and synergetic effects of Ti and Ta on microstructure, phase stability and creep behavior will be investigated systematically in a series of Co-Al-W(-Ti-Ta) single crystal alloys, initiated from the analyses of elemental partitioning ratios. The synergetic effect of Ti and Ta on high temperature stability of γ′ phase and creep deformation mechanism will be clarified. This project will provide a fundamental understanding and experimental data accumulation for further developing this new generation Co-base single crystal superalloys with high temperature capability, desired γ/γ′ two-phase microstructure and superior creep property.

钴基高温合金具有更为优异的抗热腐蚀和耐热疲劳性能，但由于缺乏γ'相强化机制，其高温强度和承温能力显著低于镍基合金，只能用于先进燃机的静子部件。近年来，Co-Al-W合金系中γ'高温稳定相的发现，为新型钴基高温合金的发展开辟了一条新道路，并迅速成为国际高温合金界的研究热点之一。 课题组前期研究结果发现Ti和Ta元素的协同作用能显著提高γ'相的稳定存在温度，有可能使合金比现有同类钴基合金的承温能力提高50℃。因此，本项目以Co-Al-W(-Ti-Ta)单晶高温合金为研究对象，从合金元素的成分分配比出发，系统研究Ti、Ta元素独立及协同作用对合金组织结构、高温组织稳定性、蠕变行为的影响规律，阐明Ti和Ta的协同作用显著提高γ'相高温稳定性的机理及其对合金蠕变行为的影响机制等两个关键科学问题，为发展更高承温能力、理想两相组织和优异蠕变性能的新一代钴基单晶高温合金提供理论基础和实验数据。

近年来，γ′相强化Co-Al-W基合金的发现为发展新型钴基高温合金开辟了新的道路，并迅速成为国际高温合金界的研究热点。然而，由于Co-Al-W基合金的γ′相溶解温度较低且γ/γ′两相区较窄，如何提高γ′相溶解温度并在服役温度下保持长时组织稳定性是发展此类合金的首要问题。同时，发展高性能新型钴基高温合金亟需深入理解其变形机制，特别是更高温度的蠕变行为。由于该类钴基高温合金研发时间较短，相关研究非常有限，并且缺乏热力学数据库的支持，为上述问题的解决带来了挑战。.项目组前期在合金化元素对γ′相溶解温度和组织稳定性作用研究的基础上，设计了含有Ta和Ti的Co-7Al-8W基系列合金，并成功使用定向凝固工艺制备了钴基单晶合金。本项目系统研究了Ta和Ti的单独及交互作用对单晶合金组织稳定性和高温蠕变行为的影响。结果表明：新型钴基高温合金的凝固偏析程度较低，不易形成凝固缺陷，适合制备大尺寸的单晶材料。4at.%Ti比1at.%Ta更显著提高γ′相溶解温度和γ′相体积分数，两者的交互作用进一步提高了γ′相溶解温度和体积分数。在Ta和Ti的共同作用下，W、Ta和Ti等大原子半径元素优先进入γ′相，从而提高γ′相的晶格常数，产生正的γ/γ′两相错配度。含Ta和Ti的五元合金经1050°C/1000h长期时效后依然保持γ/γ′两相结构，γ′体积分数大于60%，组织稳定性显著优于已报道的同类合金。.高温蠕变行为的研究结果表明：含Ta和Ti的五元合金在1000°C左右的蠕变行为由初始蠕变、稳态蠕变和加速蠕变三个阶段组成。其在1000°C/137MPa的蠕变性能超过已报道蠕变寿命最长的同类合金，并且在982°C/248MPa条件下的蠕变寿命介于第一代和第二代镍基单晶高温合金之间。在正错配度导致的共格应力和外加拉应力的叠加作用下，γ′相在蠕变过程中沿应力轴方向发生定向粗化，形成平行于应力轴方向的筏排组织。稳态蠕变阶段的主要位错结构为γ/γ′两相界面位错网络、γ′相中的层错和反相畴界。分析表明，筏排组织中连续的γ/γ′两相界面，位错切割γ′相形成的层错和反相畴界，以及γ′相中的位错交截阻碍了位错运动，提供了蠕变抗力。