碳在先进镍基单晶高温合金中的作用及碳化物生长规律

0Nickel-based single crystal superalloys are important material for thermal structural components of advanced airplane turbine. Carbon was initially removed from first-generation single crystal superalloys, it is recently shown that trace addition of carbon had some benefits. But mechanisms of carbon addition in the high level rhenium single crystal superalloys were not clear, and also the carbides have some effects on the properties of single crystal superalloys, so, mastering the mechanisms of carbon addition and how to control the carbide morphologies became more and more urgent. In this project, high rhenium level single crystal superalloys will be used, and under high temperature gradient, studying the effect mechanisms of carbon on solidification characteristics of single crystal superalloys, analyzing effects of carbon on elements segregation and interactions of elements on segregation, observing the growth characteristics of carbides at different solidification conditions. This project make it clear that effects of carbon level, solidification parameters and heat treatment on carbides growth, Establishing the carbides precipitation-growth model, acquiring the mechanisms of carbide growth in the single crystal superallys, which can provide theory basis for new generation single crystal superalloy composition design.

镍基单晶高温合金是先进航空发动机热端部件的重要材料，在最初发展的单晶高温合金中碳是完全去除的，近年来发现微量碳的加入对单晶高温合金有一定的益处。但碳在含铼的先进单晶高温合金中的添加原则尚不清楚，且单晶高温合金中碳化物的出现对合金的性能有一定的影响，因此掌握碳的添加原则及控制碳化物形貌变得尤为迫切。本申请项目以含高铼的镍基单晶高温合金为对象，在高温度梯度条件下研究碳对单晶高温合金凝固特性的作用规律，分析碳对合金元素偏析的影响及元素间的交互作用，考察碳化物在不同凝固条件下的生长特点，摸清碳含量、凝固参数和热处理等因素在碳化物生长过程中的作用，建立碳化物的析出和生长模型，掌握碳化物在单晶高温合金中的生长规律，为新一代单晶高温合金成分设计提供理论基础。

结题摘要.由于C等晶界强化元素可以有效地抵抗晶粒缺陷给单晶材料造成的危害，近年来发现微量C的加入对单晶高温合金有一定的益处。本研究以高Re的镍基单晶高温合金为对象，考察了C对高温合金凝固特性的作用规律，分析了C对合金元素偏析的影响，以及不同C含量和拉晶速率对碳化物形貌的影响，探索了碳化物在不同凝固条件下的生长特点。取得的主要成果如下：.1）获得了C含量变化对复杂镍基合金中碳化物相形貌的影响规律。研究发现随着C含量的增加，合金中碳化物含量提高，形貌逐渐由块状、汉字体状、向相互连接的骨架状转变，为澄清碳化物的形成机理及形态控制奠定了实验基础。.2）获得不同C含量合金金属元素在凝固过程中的偏析呈现不同的规律。随着C含量的增加Al元素在固体中的偏析逐渐增加；然而，随着C含量的增加，Re、Mo、W元素在相液体中的偏析则减小，并且C元素减弱了这一过程。.3）应用夏尔公式探索了凝固模型展示液相中合金元素的凝固路径曲线、枝晶间偏析程度、凝固温度区间以及预测了二次相在凝固过程中的形成。随着C含量的增加Al、Mo、Ta朝着枝晶间偏析加剧，Re、W、Co三元素朝着枝晶干偏析。随着C含量的增加液相线温度和固相线温度逐渐降低，凝固温度区间逐渐增大。.4）探索了复杂镍基合金中碳化物形貌与定向凝固拉晶速率的相应关系。随着拉晶速率的增加，碳化物分布越来越弥散化，碳化物由块状逐渐转变成细枝状，在抽拉速率为100um/s时碳化物体积分数最大。建立了拉晶速率、碳化物体积分数和碳化物形貌之间的关系，可以进一步优化合金组织结构，提高合金的高温性能。. 本项目获得了不同C含量对合金的凝固特性的影响规律及C含量和工艺参数对碳化物形貌的影响及碳化物的生长机制，可为单晶叶片微量元素的添加提供理论指导和技术支持。 本项目共发表论文7篇，其中SCI收录3篇，EI收录3篇，接收1篇。参加国内外学术报告4人次，培养研究生2名。