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美国第四代粉末高温合金-ME5系合金

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ME5系合金
       通用电气航空公司(GEA)根据美国空军混合盘合同研究了镍基粉末高温合金的设计空间,从而找到一种合金成分来提高盘件承温能力。

        ME5 系合金是以 ME501 为原型合金。通过组织和元素对力学性能影响的分析得到如下结论:(1)Cr对塑性提升有一定贡献,但会降低蠕变性能;(2)W对拉伸强度有一定贡献,对蠕变强度贡献更为显著;(3)Ti对拉伸强度贡献最为显著,但极大的降低蠕变性能;(4)Nb和Ta对拉伸强度提升有一定贡献,但Nb会降低拉伸塑性;(5)高Cr、Ti、Nb、Ta及高Mo/W比会促使TCP相析出;(6)高W含量能提高蠕变强度,但需要同时控制Cr、Ti、Ta含量以减少η 相析出,达到性能的平衡;(7)提高 W 含量并降低Cr含量是提高蠕变性能最合适的合金化方向;(8)长时热暴露后细小的γ′相颗粒尺寸在760 ℃时变化较快,并且在815 ℃时快速固溶,这表明这些合金在高于760 ℃时蠕变强度会出现问题;(9)ME501合金的组织最稳定、综合性能最优。

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ME501合金成分设计特点
      对比第四代粉末高温合金 ME501 与第三代粉末高温合金René104的化学成分(见表1)可知,在ME501 合金中同时添加了 Hf、Ta 元素,提高了 W、Ta、Nb含量,Ta含量高达4.8%(是René104合金中的2倍)。

合金制备
      ME501合金使用粒度不大于53 μm(-270目)的氩气雾化粉末,在真空下装套,通过热压和挤压成形,之后在 1052 ℃等温锻造,最终得到尺寸为ϕ125 mm×37.5 mm饼坯。从饼坯中切取实验料,在可控冷速的真空环境中进行热处理,包括固溶处理+两级时效,热处理制度为 1191 ℃×1 h,冷速111 ℃/min+843 ℃×2 h,AC(空冷)+ 760 ℃×8 h,AC。

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组织及其稳定性
      热处理后为完全再结晶的等轴晶组织,平均晶粒尺寸为30 μm(见图1)。组织中存在一次γ′相、二次γ′相、三次γ′相以及扇形γ′相(见图2)[5],γ′相体积分数为55%。利用单传感器差热分析(SS-DTA)技术确定了 ME501 合金中 γ′相固溶温度为约 1182 ℃。γ′相开始析出温度与盘件热处理冷速关系较小(冷速为12~77 ℃/min)。然而,在冷速高于278 ℃/ min时,γ′相析出量明显下降。

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       在704 ℃×3000 h、760 ℃×3000 h和815 ℃×3000 h 长时热暴露后,ME501 合金具有优异的晶粒尺寸稳定性,扇形 γ′相的尺寸和形态基本保持稳定。在760 ℃×1008 h之后三次γ′相发生显著的粗化,立方状二次γ′相的平均尺寸略有增加,之后保持相对稳定。815 ℃时三次γ′相几乎完全回溶,二次γ′相完全分裂成立方状,并且逐渐发生熟化(见图3),表明ME501合金的温度极限接近于760 ℃。

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力学性能
      不同温度下的拉伸性能、应力集中因子(Kt)为3.5 的缺口试棒抗拉强度如表 2 所示。可见 ,ME501合金的拉伸强度优于René104合金。不同温度/应力条件下的蠕变、持久性能如表3所示。美国 Mills 团队的 Krutz 等对 ME501 合金经过固溶处理后的γ′相的演变进行了表征和建模,研究了在不同冷速下γ′相的长大行为和形貌演变,认为 γ′相的形貌对合金的拉伸强度起次要作用。之后,该团队通过改进的析出计算模型,对ME501合金在连续冷却过程中多模态γ′相析出进行了实验标定和多尺度模拟,量化了在介观尺度和连续长度尺度上的析出相演变的影响。

      在最近的一些报道中,通过利用粉末高温合金的成分制备成单晶,去除晶界的影响来探究合金性能的本质与成分的关联性,随后指导粉末高温合金成分设计。Mills团队的 Smith 等通过研究单晶 ME501 合金蠕变发现了一种新的强化机理,即限制在超点阵层错处的微区相变(LPT),有利于提升合金的蠕变性能。LPT包括在γ′相中沿着超点阵外禀层错(SESF)形成有序的 η 相;在 γ′相中沿着超点阵内禀层错(SISF)形成有序的χ相[34],从而抑制层错带剪切,进而抑制堆垛层错的宽化而形成的微孪晶。另外,Smith 等在单晶 ME501 合金中 SESF 处发现了类似铃木偏聚(Suzuki segregation)的现象,指出这种以扩散主导的偏聚转变(segregation transition)与 Cottrell气团共同作用可以抑制微孪晶的形成,从而提高合金的蠕变性能。

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