目录结构

详情信息展示

参考文献

摘要
1 实验▲
2 实验结果▲
3 分析与讨论▲
4 结论▲
参考文献
图▲

图1 1 150 ℃时Al在不同含Re量的Ni中的扩散曲线

图2 Al在Ni中的互扩散系数与其质量分数的关系

图3 在不同Re含量的Ni基体中Al扩散与温度的关系

表▲

表1 扩散的温度及时间

中国有色金属学报

中国有色金属学报 2003,(04),899-902 DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2003.04.016

Re对Al在Ni中扩散的影响

曾强马书伟郑运荣

北京航空材料研究院,北京航空材料研究院,北京航空材料研究院北京100095 ,北京100095 ,北京100095

摘要：

研究了Al在含Re的Ni基合金中的扩散行为。结果表明:Al在Ni基体中的扩散激活能随着Re含量的增加而增加,在Re质量分数为1%,2%和3%的Ni中Al的扩散激活能分别为230,238和256kJ/mol;温度低于(1170±5)℃的时候,Al在Ni基体中的扩散速率随着Re含量的增加而减小,Re阻碍Al原子在Ni基体中的扩散;而在高于(1170±5)℃的时候,Al在Ni基体中的扩散速率随Re含量的增加而增加;(1170±5)℃是一个转折点,在此温度,Al在不同Re含量的Ni基体中的扩散速率几乎相等。

关键词：

扩散;铼;铝;镍基高温合金;

中图分类号： TG132.32

作者简介：曾强(1974),男,助理工程师.北京81信箱19分箱,100095;电话:010624666225487;Email:zeng qiang@263.net;

收稿日期：2002-09-23

Influence of rhenium on diffusion behavior of aluminium in nickel

Abstract：

The diffusion behaviors of aluminium in nickel with rhenium were studied. The results show that, the activation energy of aluminium diffusion in nickel increases with the increase of rhenium content, the activation energies of aluminium diffusion in nickel with rhenium of 1%, 2% and 3%(mass fraction) are 230, 238 and 256 kJ/mol respectively; below (1 170±5)℃, the diffusion velocity of aluminium in nickel decreases with the increase of rhenium contnet, which implies that the rhenium impedes the aluminium diffusing in nickel; above (1 170±5)℃, the diffusion velocity of aluminium in nickel increases with the increase of rhenium contnet; (1 170±5)℃ is a temperature of turning range, at which the diffusion velocities of aluminium in nickel with different content of rhenium are similar.

Keyword：

diffusion; rhenium; aluminium; nickel base superalloy;

Received： 2002-09-23

在单晶高温合金中加入Re, 可以显著提高它的抗蠕变性能 ^[1] 、疲劳性能 ^[2] 及抗氧化性能 ^[3] 。目前, 在新一代航空发动机叶片上, Re元素得到了广泛的应用 ^[4,5,6,7] 。 Re 在Ni中的扩散激活能很高, 因此Re在Ni中的扩散较为困难 ^[8,9] 。然而, 其对扩散行为的影响却较大, 主要是直接影响Re在合金中的偏析、合金中沉淀相的粗化以及合金的焊接性能, 从而影响Ni基高温合金的高温力学性能 ^[10,11] 。 Giamei的研究表明 ^[12] : 随着Re含量的增加, γ′的粗化速率明显降低。 Al是Ni基高温合金中重要的沉淀强化元素, 大量存在于γ基体中, 并且是γ′相的形成元素。在第二代和第三代单晶高温合金中, 典型的如美国生产的PWA1484, CMSX-10等合金和北京航空材料研究院研制的DD6单晶高温合金中, Al的含量都在6%(质量分数)左右。 Al在Ni基高温合金中的扩散行为直接影响到合金的性能, 而当Re加入后将影响Al扩散行为的变化。目前关于这方面的研究工作还不多。本文作者着重研究了Re对Al在Ni基体中的扩散的影响, 并且对影响机制进行了探讨。

1 实验

扩散偶分别由Ni-1%Re与Ni-1 %Re-6%Al, Ni-2%Re与Ni-2%Re-6%Al和Ni-3%Re与Ni-3%Re-6%Al(质量分数)组成, 实验用材料在真空电弧炉中熔炼而成, 为保证合金成分均匀, 反复熔炼3次。为进一步使成分均匀, 熔炼好的合金封于真空石英管中在1 200 ℃保温50 h, 进行均匀化处理。均匀化后合金的晶粒度约为1.5 mm, 将合金切成5 mm×5 mm×10 mm金属块, 磨光后用0.3 μm的氧化铝粉抛光, 再将它们用特殊的夹具夹紧以制成扩散偶。

将扩散偶封于真空石英管中进行扩散处理, 扩散的时间及温度列于表1。扩散处理后, 将扩散偶沿扩散方向切开, 磨光后用0.3 μm的氧化铝粉抛光, 用电子探针在垂直于界面方向测量Al的成分分布, 并绘成分与扩散距离的关系曲线。

表1 扩散的温度及时间

Table 1 Diffusion temperature and time

θ/℃	1 100	1 150	1 200	1 250
t/ks	180	90	46.8	25.2

2 实验结果

三相扩散偶, 如Ni-Re/Ni-Re-6Al, 其扩散过程遵循Fick第二扩散定律, 即

$\frac{\partial w (A l)}{\partial t} = \frac{\partial}{\partial s} (D \frac{\partial w (A l)}{\partial s}) (1)$

式中互扩散系数D为w(Al)的函数, s为扩散距离, t为扩散时间。方程(1)可由两种方法求得, 通常使用的是Boltzmann-Matano ^[13,14] 法, 互扩散系数D可由下面的方程获得:

$\int_{w^{-} (A l)}^{w^{+} (A l)} (s - s_{0}) d w (A l) = - 2 t D \frac{d w (A l)}{d s} (2)$

式中 w⁺(Al)和w^-(Al)分别代表扩散偶两端无限远处Al的质量分数。 Matano面由下面的方程所决定:

∫ $_{w^{-} (A l)}^{w^{+} (A l)}$ (s-s₀)dw(Re) (3)

Matano面的位置为s=s₀。但是, 这种方法不适用于在无限远处的扩散。

另一种方法为Hall的方法 ^[15] , 可解决无限远处扩散的问题, 并且与实验结果可以吻合很好。根据Hall的方法, 有

$w^{'} = \frac{w - w_{0}}{w_{1} - w_{0}} (4)$

式中 w₀, w₁分别为距离Matano面-∞和+∞的扩散量。

w′与距离s的关系符合下面的公式:

w′=erfc(hλ+k)=erfc(u) (5)

$D = \frac{1}{4 h^{2}} + \frac{k π^{0.5}}{2 h^{2}} \exp (u^{2}) \cdot w^{'} (6)$

式中 $λ = s / \sqrt{t}$ ; h, k分别为w′曲线的斜率和截距。

扩散曲线中间部分的扩散系数由Boltzmann-Matano法获得, 两端无限远处的扩散系数通过Hall的方法得到。

图1给出了在1 150 ℃时, Al在含Re量分别为1%, 2%和3%的Ni基体中的扩散曲线。由图可见: 当扩散温度为1 150℃时, Al在不同Re质量分数的Ni基体中的扩散曲线非常接近。

图1 1 150 ℃时Al在不同含Re量的Ni中的扩散曲线

Fig.1 Diffusion profiles of Al in Ni with different content of Re at 1 150 ℃

3 分析与讨论

图2给出了在1 100～1 250 ℃之间的互扩散系数与Al质量分数间的关系曲线。从图中可以看出, 在扩散过程中, Al的扩散速率随着Al质量分数的增加而增加。

图2 Al在Ni中的互扩散系数与其质量分数的关系

Fig.2 Relationship between interdiffusion coefficient and mass fraction of Al in Ni (a)—w(Re)=1%; (b)—w(Re)=2%; (c)—w(Re)=3%

温度与扩散系数之间有如下关系:

$D = D_{0} \exp (- \frac{Q}{R Τ}) (7)$

式中 Q为扩散激活能, D₀为扩散常数, R为气体常数, T为温度。

图3给出了Al分别在含有1%, 2%和3%Re的Ni中的lnD与1/T曲线。图中的实验数据点很好地符合了方程(7)中lnD与1/T之间的直线关系, 并由此得出了不同Re含量时Al在Ni中的扩散激活能和扩散常数。 Al在含量为1%Re, 2%Re和3%Re的Ni基体中的扩散激活能分别为230, 238和256 kJ/mol; 扩散常数D₀分别为1.4×10^-5, 2.7×10^-5和1.3×10^-4。由此可以说明, 随着Re含量的增加, Al在Ni中的扩散激活能不断增加。也就是说Re在Ni基合金中的加入使Al在Ni基体中的扩散变得艰难。

图3中, 3条曲线在(1 170±5)℃的范围内有交点, 在低于交点对应温度时, 也就是温度低于(1 170±5)℃的时候, Al在Ni中的扩散速率是随着Re含量的增加而减小的, Re阻碍Al原子在Ni基体中的扩散; 而在高于这个温度的时候, Al在Ni中的扩散速率随着Re含量的增加而增加, 也就是说, 此时Re对Al在Ni基体中的扩散有促进作用。 (1 170±5)℃是一个转折点, 在这个温度下, Al在不同Re含量的Ni基体中的扩散速率几乎是相等的。

图3 在不同Re含量的Ni基体中Al扩散与温度的关系

Fig.3 lnD vs T^-1 for Al in Ni with different content of Re

Blavette的研究表明 ^[1] , Re以尺寸大约为1 nm的原子团的形式存在。我们推断: 在1 170 ℃以下时, Re的原子团可以有效地存在, 阻碍Al原子的扩散; 在(1 170±5)℃时, Re的原子团开始分解, 部分Re原子脱离原子团, 削弱了对Al原子的阻碍作用; 由于Re原子小于Al原子, 因此, 在(1 170±5)℃以上时, Re原子对Al原子的阻碍就变成了促进。不过, 这仅是对实验结果所作的推断, 究其原因, 还需进一步的研究。