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合金成分对镍基高温合金性能影响的研究进展论文

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2023-08-05 09:58:31    来源:    作者:liuhong

摘要:镍基高温合金是航空航天等领域不可或缺的材料,是高温合金材料优化研究的热点,其合金成分复杂,关键合金元素对其性能的影响显著。先进的激光熔覆技术对镍基高温合金涂层的发展有重要的推动作用。在简要给出激光熔覆技术发展现状的基础上概述了镍基高温合金的研究进展,系统梳理了Co、Al、Cr、Ta、W、Re、Ru、Zr、Fe等金属元素以及Si、C、B等非金属元素以及陶瓷颗粒VC、B4C、WC、TiC、Y2O3等对镍基高温合金力学性能及显微组织的影响。指出了镍基高温合金在当前研究发展中的困扰和仍需关注的问题,最后对镍基高温

  摘要:镍基高温合金是航空航天等领域不可或缺的材料,是高温合金材料优化研究的热点,其合金成分复杂,关键合金元素对其性能的影响显著。先进的激光熔覆技术对镍基高温合金涂层的发展有重要的推动作用。在简要给出激光熔覆技术发展现状的基础上概述了镍基高温合金的研究进展,系统梳理了Co、Al、Cr、Ta、W、Re、Ru、Zr、Fe等金属元素以及Si、C、B等非金属元素以及陶瓷颗粒VC、B4C、WC、TiC、Y2O3等对镍基高温合金力学性能及显微组织的影响。指出了镍基高温合金在当前研究发展中的困扰和仍需关注的问题,最后对镍基高温合金将来的发展进行了展望。

  关键词:合金组元;镍基高温合金;性能

  Research Progress on the Influence of Alloy Composition on the Properties of Nickel-based Superalloys

  Wang Panpan,Qiu Changjun※

  (Mechanical Engineering School,University of South China,Hengyang,Hunan 421000,China)

  Abstract:Nickel based super alloys are indispensable materials in the field of aerospace and other fields,and are a hot spot in the optimization research of superalloy materials.Their alloy composition is complex,and key alloy elements have a significant impact on their properties.Advanced laser cladding technology plays an important role in promoting the development of nickel based superalloy coatings.Based on a brief introduction of the current status of laser cladding technology,the research progress of nickel based superalloys was summarized,and the effects of metal elements,such as Co,Al,Cr,Ta,W,Re,Ru,Zr,Fe,non-metallic elements,such as Si,C,B and ceramic particles,such as VC,B4C,WC,TiC,Y2O3,were systematically sorted out on the mechanical properties and microstructure of nickel-based superalloys.The troubles and problems that still need attention in the current research and development of nickel-based superalloys are pointed out,and the future development of nickel-based superalloys is prospected.

  Key words:alloy components;nickel-base superalloy;performance

  0引言

  高温合金是以铁、镍或钴为基体,加入多种合金元素进行强化,在650℃以上的高温环境里,能够承受极端的应力并且长期服役的一类合金[1-2]。这类合金材料一般具有较好机械强度、良好的抗氧化性、抗高温蠕变与抗疲劳性、好的组织稳定性和可靠性。其高温强度主要依靠固溶强化、沉淀强化。高温合金因为具有较好的性能,广泛用于制备航空航天、石油化工等领域[3-5]。镍基高温合金是以镍为基(含量一般大于50%)的高温合金,在650~1 000℃范围内具有高强度、良好的抗氧化和抗燃气腐蚀能力等综合性能[6]。与铁基和钴基高温合金相较,镍基高温合金工作温度更高,有害相少,组织稳定且抗氧化能力大和抗腐蚀能力强,可以在高于其他两种合金150~250℃左右的温度下长期工作,被称为“发动机的心脏”[7]。随着社会现代工业的高速发展,对于材料在各个领域的服役条件作出了更苛刻的要求,国家重大装备发展趋势转变为高性能,高可靠,长寿命,极端服役,大型,低成本等[8-9]。原有的材料已不足以满足一些极端服役。因此,开发和研究这种综合性能优良的材料成为研究热点之一。

  本文通过简述激光熔覆技术的发展历程,综述分析了常见的合金元素对激光熔覆制备镍基高温合金力学性能与显微组织的影响;并对激光熔覆镍基高温合金未来的发展趋势进行了展望。

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  1激光熔覆技术发展现状

  激光熔覆技术是20世纪70年代随着大功率激光器的开发而逐渐发展起来的一种先进新型材料表面改性技术及装备维修技术[10]。该项技术具有能量密度高、冷却速率快、稀释率低(小于5%)、可控性好并且对基体的热影响小等特点,所以相较热、冷喷涂技术,应用此工艺制备的涂层可以与基体材料完全冶金结合,获得的组织微观结构更加致密均匀,微观的缺陷也更少[11-13]。因此激光熔覆技术也是国家绿色再制造技术的重要支撑技术之一。目前,激光熔覆技术主要用于制备铁基、镍基、钛合金、高熵合金合金涂层以及添加陶瓷颗粒增强的合金涂层。采用激光熔覆技术制备得到综合性能优异的镍基高温合金涂层,大大拓宽了镍基高温合金材料的应用范围。合金化是优化合金性能的主要方式之一,通过调整合金体系中某一元素的含量或添加少量其他合金化元素(如Nb、Si、Co、Cr、Ta、W、Re等),研究合金化对合金力学性能与微观组织的影响规律,也是该领域的重要研究内容之一[14]。

  2金属元素对镍基高温合金组织与性能的影响

  镍基高温合金材料体系中组元多为金属元素,不同的金属元素对材料的微观组织和性能有着不同的影响。本文主要介绍Co、Al、Cr、Ta、W、Re、Ru、Zr、Fe以及微量元素对镍基高温合金组织性能的影响。

  Qing等[15]研究了不同Co添加量对第四代镍基单晶高温合金在3种热暴露温度下的组织演变。研究发现Co的加入加快了溶质的扩散系数,但γ和γ'界面能降低,从而改变了粗化速率;此外,随着Co含量的增加,γ和γ'之间的热力学平衡溶解度差异和γ/γ'界面上的元素偏析得到缓解,导致长时间热暴露后TCP相的抑制。章清泉等[16]分析了不同Cr和Al元素含量对镍基高温合金Hynes214合金相组成的影响。研究表明Cr和Al含量越高,合金的高温抗氧化性和耐蚀性越好,但Cr含量增加会导致有害相σ-Ni的形成。Al含量主要影响γ'相的形成,Al含量为6%时,将会诱发σ相的形成。冯广召等[17]研究了碳化物对镍基高温合金DZ125定向凝固过程中显微缩松形成的原因及影响。研究表明定向凝固过程中碳化物的数量和大小对显微缩松的形成有一定影响,碳化物对镍基高温合金中显微缩松的形成主要是通过对枝晶间液体金属流动的阻碍而实现。J Nakki等[18]研究了微量元素对激光熔覆625合金粉末凝固开裂和稀释的影响,研究表明625合金粉末化学成分的微小变化对低碳钢激光熔覆625合金粉末的热裂倾向和稀释有较大影响。杂质含量极低(S、P和B)以及低Al和Ti含量的粉末对热裂的敏感性最低,而含有一些杂质(B、P)的不含Al和Ti的粉末对热裂最敏感。此外,低Al和Ti含量的粉末与由高Al和Ti含量的粉末制成的熔覆层相比,增加了稀释。在激光熔覆和定向沉积增材制造中,成分限制需要更加严格,以避免热裂从而提高产品质量。Peng Peng等[19]研究了Ta对镍基高温合金DZ411定向凝固高温合金组织演变的影响,研究表明Ta的加入促进了枝晶间区域的元素偏析,导致MC碳化物和共晶的体积分数增加,但其形貌没有明显变化。Liu等[20]研究了Ta、W、Re元素添加对中温(760℃)拉伸变形行为的影响。研究表明在760℃下添加Ta、W和Re元素可使模型高温合金的屈服强度提高50%以上,塑性提高100%以上,在中间温度区域,W和Ta是替代珍贵的Re元素而又不会造成重大性能损失的两个候选元素。Yao等[20]研究了关键元素Re和Ru对镍基单晶高温合金TMS138相形貌和显微组织的影响。研究表明Re的加入有效地提高了合金的γ'溶剂温度。Ru对溶剂温度的影响小于Re。Re加重了Cr和Ru在基体中的偏析,而Ru的加入则缓解了Re向基体的倾向。HU等[21]研究了Zr含量对激光选择性熔炼IN738LC裂纹形成及力学性能的影响,研究表明当原粉体中Zr含量由0.024 wt.%变为0.12 wt.%时,裂纹密度(面积比)增大。凝固裂纹主要分布在熔池中心,并沿外延生长(001)方向的柱晶界向多层扩展。粉末中Zr含量的增加促进了Ti、Al、Mo、Nb、W、Ta和Zr元素在晶界处的富集,并且降低了IN738LC的固相温度,扩大了凝固温度的范围。Mu等[22]研究了Nb对IN625铸造合金δ相析出及拉伸性能的影响,研究表明在700℃长期时效后,δ相容易析出,且Nb含量的增加促进了δ相的析出,导致Nb偏析的增加。δ相析出被认为是IN625铸造合金的强化相。Liu等[23]研究了铁含量对激光熔覆铬镍铁合金在20#钢表面制备出试样的组织和性能的影响,研究表明随着Fe含量的增加,IN 625合金熔覆层的相没有发生明显变化,但Nb、Mo等元素在IN 625合金中的固溶体减少,晶粒粗化,细晶粒减少,涂层表面硬度降低,耐磨性降低。当Fe含量低于5 wt.%时,其硬度、耐磨性、耐高温腐蚀性能基本相同。但当Fe含量超过5 wt.%时,其耐磨性和耐高温腐蚀性能显著降低。因此,5 wt.%Fe可作为激光熔覆IN625合金层稀释率控制的参考极限。

  3非金属元素对镍基高温合金组织与性能的影响

  非金属元素除具有降低合金熔点、提高其润湿性、增加固液相的流动性、脱氧、除渣、除气等功能,还能影响合金的力学性能及微观组织,生成陶瓷相,改变层错和位错密度,强化合金力学性能,下面概述Si、C、B对镍基高温合金组织及性能的影响。

  Michael J等[24]研究了合金成分对IN625缺陷形成和力学性能的影响,研究表明Si和Nb含量高会导致凝固结束时形成脆性Laves相。当Nb、Si含量分别为3.45%、0.13%时,其室温延伸率为39%~48%;Nb、Si含量分别为3.84%、0.33%时,延伸率为32%,延伸率提高了7%~16%,拉伸性能有所改善。张剑等[25]采用循环氧化法对不同Si含量的IN625合金熔覆层在700℃、800℃和900℃氧化144h后的高温氧化的影响进行了研究。研究表明,Si含量为0~3 wt.%的625合金熔覆层样品在700℃、800℃和900℃的氧化动力学曲线均符合抛物线规律。700℃、800℃和900℃三种Si含量的625合金熔覆层,1%Si和3%Si含量的熔覆层均属于完全抗氧化级别,0%Si合金熔覆层样品属于抗氧化级别。此外,0%Si合金熔覆层样品的氧化速率比1%Si和3%Si的高一个数量级。随着Si含量的增加,熔覆层样品的抗剥落性能提高。Si元素的掺杂可以在一定程度上促进Mo元素的扩散。氧化膜的形成可以有效抑制Fe元素的扩散,从而抑制Fe的氧化物的形成,对提高抗氧化性起到一定作用。此外Si的加入还可以有效降低基体中金属元素通过SiO、CrO等氧化层的扩散速率和O元素的浸润,避免了内部大部分氧化的发生,提高了IN625合金熔覆层的抗氧化性。Zhou等[26]研究了关键元素碳影响高温合金凝固和力学性能对典型不可焊Inconel 738(IN738)合金激光粉末床熔合(LPBF)工艺的印刷适应性和力学性能的影响。研究表明,在较宽的工艺参数范围内,将碳含量从0.11 wt.%(IN738LC合金)适度增加到0.3 wt.%(IN738-0.3 C合金)和0.6 wt.%(IN738-0.6 C合金),可以得到无裂纹的LPBF样品。IN738-0.3 C和IN738-0.6 C的LPBF具有优异的极限抗拉强度(1 320 MPa和1 598 MPa)和优异的总伸长率(14.7%和9.0%)。随着含碳量的增加,更多粒径不超过200 nm的颗粒状单碳化物在胞胞结构边界处形成准连续或连续网络,而胞胞边界处含硼和γ/γ'共晶的低熔点相明显减少。由于元素偏析程度的降低、液膜的消除以及局部应变浓度的降低,对凝固开裂和液化开裂的敏感性大大降低。碳的加入通过LPBF提高了IN738的力学性能。LPBF IN738-0.3 C在总拉伸强度(14.7%)和极限拉伸强度(1 320 MPa)方面表现出优异的组合,而LPBF IN738-0.6 C在极限拉伸强度(1 598 MPa)和延伸率(9.0%)方面表现出优异的组合。Cortes等[27]研究了在真空条件下熔化两种镍基合金,并在陶瓷模具中等轴凝固。合金1的化学成分为20.2Cr-13.7Co-4.78Mo-1.19Al-0.69Ti-0.08C-2.34Fe,合金2的化学成分为20.5Cr-15.6Co5.03Mo-1.57Al-3.42Ti-0.15C-1.64Fe-0.076Zr-0.01%B。分析了Ti在真空条件下熔化并凝固成陶瓷模具的两种镍基合金中对MC碳化物形成和γ/γ'共晶促进的作用以及硼、碳和锆对两种合金凝固后孔隙率水平的作用。研究表明真空条件下的合金制备,合金组织中的孔隙率是由于凝固过程中的微收缩而不是气体析出。由于两种合金的凝固条件相同,显微组织的差异是由不同的化学成分引起的。在此基础上可以得出以下结论:合金2的钛和碳含量较高,其碳化物体积分数是合金1的4倍。此外,合金2的共晶γ/γ'相体积分数也较高,因为钛是γ'相的强促进剂。在合金2中,AIN颗粒经常被检测到,特别是作为钛碳化物的核心。这表明这些AIN颗粒可能在凝固过程中充当TiC的核。合金2与合金1相比,气孔水平有相当大的降低。这种孔隙率的降低是由于合金2中存在一些元素,如碳、硼和锆,因为这些元素的偏析作用有助于缓解凝固过程中的微收缩。合金2的硬度值比合金1的硬度值高两倍以上,因为合金2的显微组织由更多的碳化物组成,更多的共晶γ/γ'相比合金1低的孔隙率水平。

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  4陶瓷颗粒对镍基高温合金组织与性能的影响

  陶瓷材料具有高硬度、高熔点、耐高温、耐腐蚀、抗氧化、低韧性的特点,在增材制造的过程中常作为熔覆层的增强相,被大量应用在制备高温耐磨耐蚀涂层及热障涂层中。概述了VC、B4C、WC、TiC、Y2O3等对镍基高温合金组织与性能的影响。

  Raahgini C等[28]研究了在304不锈钢基底上激光熔覆碳化钒(VC)增强IN625合金的金属基复合材料。通过改变VC的质量分数分别为0、5、10和15 wt%时,研究了增加增强相对涂层组织演变、成分、硬度和耐磨性的影响。研究表明,采用激光熔覆法沉积了无裂纹、气孔或其他缺陷的IN625和IN625-VC涂层,并与304不锈钢基底产生良好的冶金结合。在IN625熔覆层的初生γ-Ni基体中观察到二次强化析出相。在IN625-VC界面区域附近的MMC样品上都形成了复杂的次生碳化物,突出了界面相的形成,保证了基体和增强相之间的化学和机械结合。建立了熔覆层表面硬度与VC含量之间的线性近似关系。在IN625基体中加入VC颗粒提高了涂层的整体硬度,当VC含量为15%时,涂层的硬度可提高65%。虽然硬度显著提高,但激光熔覆涂层的耐磨性低于IN625熔覆涂层,这主要是由于耐磨性试验中嵌在IN625基体中未熔化的VC颗粒被细碎裂导致的第三体磨损机制。这需要通过比较不同尺寸或形态的VC粒子,以及不同的激光工艺参数进行进一步研究。Xu等[29]研究了B4C纳米颗粒对激光熔覆IN625涂层强化后组织和性能的影响。研究表明,高能球磨后进行机械合金化。加入B4C纳米颗粒后的IN625激光熔覆涂层主要相为Ni3B、Cr3C2、CrB、NbC和γ-Ni基固溶体。B元素在枝晶间区域的析出使共晶相硬化,降低了γ-Ni枝晶的面积百分比。当B4C纳米颗粒的含量从1 wt.%增加到2 wt.%时,促进了第二枝晶臂的生长。B4C颗粒含量较高的样品中形成了由Ni3B、Cr3C2、CrB和NbC组成的颗粒共晶混合物。当B4C纳米颗粒含量为3 wt.%时,共晶组织占比较大。此外,加入B4C纳米颗粒后,出现了B富集带。IN625+2%纳米B4C样品硬度为362 HV0.2,较原始IN625硬度为221 HV0.2提高约64%。与原始IN625涂层相比,IN625+2%纳米B4C涂层的磨损率降低了约86%。加入2 wt.%B4C纳米颗粒后,激光熔覆涂层的摩擦因数(COF)提高了25%左右。当B4C纳米颗粒添加量为3%时,晶间脆性和低熔点夹杂导致裂纹形成,耐磨性降低。然而,B元素在多层包层中的不均匀分布,需要进一步研究才能获得更好的结果。Kusinski等[30]研究了细碳化钨颗粒(~0.54µm)对激光熔覆Inconel 625-WC复合材料结构和力学性能的影响。研究表明,激光熔覆Inconel 625-WC的复合材料可以获得均匀、无裂纹和无孔的涂层,与基材的粘结性非常强。在激光熔覆过程中控制工艺参数可以改变材料性能。激光熔覆过程中较高的冷却速率(过冷)可以获得结构精细、均匀的涂层。在激光熔覆Inconl 625,WC添加过程中,WC溶解。当WC含量较高(30 wt.%)时,形成鱼骨状共晶的TCP相,其中含有WC、W2C、NbC、(NbW)C、WC2.54和(W、Cr、Ni)23C6等多种碳化物,出现在晶格空间。虽然枝晶形状和大小不同,但W、C、Nb、Mo、Cr等元素在样品整体体积上的分布相似。微量添加(10、20 wt.%)的WC颗粒,粒度为0~0.54µm,与原始IN625相比,硬度变化不大。当WC添加量大于30 wt.%时,IN625周围形成硬质共晶。这使得硬度从396.3±10.5 HV提高到469.9±24.9 HV。625和WC基板粉末中颗粒大小的变化会影响涂层的最终性能。较大的WC颗粒不能完全溶解,这将影响材料中的共晶数量。Hong等[31]研究了激光金属沉积(LMD)增材制造工艺生产出超细TiC颗粒增强IN625合金复合材料零件。激光能量密度对其微观组织与力学性能的影响并且对其致密化响应和机械性能包括磨损性能和拉伸性能进行了综合研究。研究表明LMD法制备TiC/Inconel 625复合材料零件的致密化行为受应用的激光能量密度影响。使用不足33 kJ/m的激光能量密度降低了LMD加工复合材料零件的相对密度,这是由于在最终凝固零件的层间区域出现残余的大尺寸孔隙。激光能量密度从100 kJ/m增加到160 kJ/m后,得到了接近完全致密的复合材料零件。当应用的激光能量密度达到100 kJ/m以上时,掺入的TiC增强颗粒通过颗粒表面的融化而显著细化和光滑。由于熔池内对流的有效作用,激光能量密度的增加使超细TiC增强颗粒的分散状态趋于均匀。Ni-Cr-γ基体的柱状枝晶由生长不充分、无序发生了连续的变化,随着激光能量密度的增加,显微组织逐渐细化、有序。然而,在160 kJ/m的激光能量密度下,Ni-Cr-γ基体的柱状枝晶出现了明显的粗化,这是由于输入激光能量的热化升高所致。适当地将应用的激光能量密度增加到100 kJ/m会导致相当低的平均摩擦因数为0.30,降低磨损率为1.3×10-4 mm3/Nm。LMD处理的复合材料,由于形成黏附和应变硬化,滑动磨损试验时磨损表面上的摩擦层形成细密的Ni-Cr-γ基体柱状枝晶结合均匀分布的超细增强颗粒,有助于增强磨损的性能。基体柱状枝晶明显粗化超过160 kJ/m的激光能量密度降低了磨损/摩擦学性能。采用激光能量密度为100 kJ/m的优化制备TiC/Inconel 625复合材料零件表现出韧性断裂模式,具有足够高的抗拉强度为1 077.3 MPa,屈服强度为659.3 MPa,延伸率为20.7%。LMD加工零件优异的拉伸性能主要归因于显著的晶粒激光加工过程中基体的细化效果和超细增强粒子对位错迁移率的有效抑制。Guo等[32]研究了Y203纳米颗粒对激光粉末床熔法制备IN738LC在1 095℃高温下氧化行为的影响,研究表明随着Y2O3含量的增加,激光粉末床熔合(LPBF)处理后的IN738LC合金晶粒明显变粗,添加0.05 wt%的Y2O3可以提高其抗氧化性,使氧化速率常数kp从0.56 mg2/(cm4⋅h)至0.39 mg2/(cm4⋅h)。然而,进一步的增加0.2 wt%和0.6 wt%的Y2O3提高了氧化速率,此时kp值分别为0.73 mg2/(cm4⋅h)和1.17 mg2/(cm4⋅h)。氧化产物主要为Al2O3、Cr2O3、NiO、NiCr2O4和CoCr2O4。加入足够的Y2O3会导致氧化层以富含Cr的氧化物为主,将氧化层中的Al2O3亚层推入母合金中的锯齿状区域。

  综上所述,合金成分对镍基高温合金的微观组织和力学性能有显著的影响作用,根据具体的环境需要,研究出最优的合金成分添加量才能有效改善镍基高温合金的性能并且抑制其缺陷。

  5结束语

  镍基高温合金对整个高温合金领域有重要的影响。镍基高温合金也是航空工业中使用的重要金属材料,因此镍基高温合金的发展势在必行,随着要求材料长时间服役的飞机发动机和工业燃气轮机确保高峰负荷发电的要求的出现,因此,研制出具有更高强度、承温能力及耐高温腐蚀能力的高温合金,是以后发展镍基高温合金的重要因素。在今后的研究中,以下几个方面仍值得进一步关注:

  (1)镍基高温合金成分复杂,其对增材制造的工艺参数非常敏感,区分清楚关键合金元素与增材制造缺陷的联系是制备无缺陷材料至关重要的一环。

  (2)室温力学性能以及高温强度、抗氧化性、蠕变、疲劳、腐蚀性能都是镍基高温合金服役的重要指标。目前大多数研究集中在室温和高温强度方面,应该进一步加强对激光增材制造镍基高温合金的其他性能评价。

  (3)微观偏析普遍存在于增材制造镍基高温合金中,往往对材料的力学性能和微观组织有不利的影响。通过优化合金成分和改进增材制造工艺参数来消除和减轻微观偏析是重要的关注点。

  随着镍基高温合金的研究更加深入和不断研发,必定会产生更为广阔的应用前景及发展潜力。


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