waspaloy作为20世纪50年代开发出来的镍基合金,具有良好的抗腐蚀性能、屈服强度和组织稳定性,在美国和欧盟等国家和地区中,均选用了waspaloy合金作为700℃超超临界汽轮机组叶片的候选材料。waspaloy合金常应用于航空发动机的涡轮盘和涡轮叶片等高温部件,但在700℃超临界汽轮机组中还没有应用,其在700℃条件下长时组织稳定性和长期持久性能正在进行研究,因此增强waspaloy合金的组织稳定性和持久性能显得尤为重要。
w是一种熔点非常高的合金元素,在镍基合金中,添加w能引起基体晶格膨胀,提高合金屈服强度,降低γ基体层错能,w溶质扩散能力非常低,能降低一切以扩散控制的形变动力学,提高合金的蠕变性能。
为了提高waspaloy合金的组织稳定性和持久性能,科研人员利用thermo-calc热力学计算软件,模拟计算出适宜的w元素添加量,研究了w在waspaloy合金中的分配行为,以及对合金力学性能和γ'相的影响,为waspaloy合金在700℃超临界机组中的应用提供良好的理论基础和实验依据。
采用thermo-calc热力学计算软件与相应的ni-6数据库进行热力学模拟计算,模拟计算出w在waspaloy合金中的适宜添加量。合金体系重量选为1g,参照状态温度为973.15k,压强为1×105pa。
实验用材料采用25kg真空感应炉熔炼,锻成φ18mm圆棒。其中一个试样采用美国特殊金属公司生产的waspaloy合金中限标准,另一个试样在保持mo当量相同基础上降低1%的mo,而添加2%的w元素。试样采用的热处理制度为:1080℃固溶4h后空冷,850℃时效24h,空冷,最后在760℃时效16h,空冷。进行拉伸性能测试,观察合金γ'强化相形貌。利用imagetool、photoshop等软件对γ'强化相尺寸进行统计,平均统计个数大于900个。采用化学定量方法确定γ'相的含量和元素组成。试验结果表明:
(1)在waspaloy合金中添加2%(质量分数)的w,能促进合金中γ'相的析出,提高合金拉伸性能和持久强度。
(2)不同于mo元素,w元素能进入γ'相中,强化γ'相。在γ'相中,w能取代一部分ti原子,同时促进al进入γ'相,抑制ti进入γ'相。
(3)在waspaloy合金中添加w不改变γ'相形貌,但能降低γ'/γ相间错配度,使γ'相粒度分布更为集中,减少粗颗粒γ'相出现几率。