单晶合金由于成分上的特点,使其显微组织基本上成为由γ+γ' 两相组成,这为合金成分设计带来方便。日本金属技术研究所对单晶合金设计方法进行了深入研究,先后提出多种设计方法,其中“新成分设计流程”和d电子合金设计法较为成熟,并分别研制成功性能较高的TMS系列和TUT系列单晶合金。前一种方法是先设计γ'相的成分,然后再计算固溶体成分和合金成分,γ'相的体积分数可任意选取,由于γ'相的数量及相应的反相界能等参数是最主要的强化因素,所以这种方法可使设计计算直接针对物理实质,加之其各种回归方程精确度较高,使计算结果较为可靠而且便于性能平衡。采用这种方法研制出了TMS系列合金,其中TMS26的耐温能力(按137MPa、1000h 计)比PWA1480 高65℃,比第二代单晶合金PWA1484高37℃.d电子合金设计法的基础源于用DV-X法对面心立方原子团(MNi12Al6)进行分子轨道计算,提出了估价所加入合金化元素的作用和性质的两个参数:一个是反映合金元素对共价键贡献的原子间结合次数B.,另一个是反映合金元素电负性和原子半径综合效应的分子轨道d能级Ma,按照每个元素的B.和M.值,计算设定成分的平均B和平均Ma,再分别计算合金的凝固温度范围,热处理窗口,γ'相体积分数,γ'相和γ相的成分以及TCP相析出倾向等参数,最后确定综合性能最高而相稳定性好的合金,此方法理论性强、精确度高、周期短、成本低。N.Yukawa等人采用这种方法设计出了性能水平相当于PWA1484的TUT92和TUT95单晶合金。中国科学院金属研究所与日本丰桥技术科学大学在合作研究中成功地应用了d电子合金设计法,研制出了持久强度水平很高的抗腐蚀镍基单晶合金。d电子合金设计法不但可以用来设计新合金,而且可以用来对现有单晶合金进行分析、评价和改进。日本丰桥大学曾报道,按 d 电子参数来定量地预测各种合金元素在γ和γ'相中的分配,其计算结果与试验值相当吻合。
镍基高温合金作为在各种航空、航天发动机和燃气轮机中使用的主要材料,其应用价值的重要性是不言而喻的。因此,需要针对具有优异综合性能的镍基高温合金的成分与制造过程、组织与性能进行深入研究。本书在总结前人有关研究成果的基础上,以新型镍基铸造高温合金的开发及性能研究为主线,对两种新型镍基铸造高温合金进行了系统阐述,结合X射线衍射仪(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、电子探针(EPM)和图像分析仪等测试与分析手段,探讨了铸造镍基高温合金有害元素的存在形态、结合合金的组织及性能、热处理工艺等,用理论测算和实验相结合的办法,对镍基单晶高温合金中γ相和γ'相元素的分布特征、组织稳定性及持久性能等进行分析。
本书共分为7章,第1章为镍基铸造高温合金的基础理论,是全书的基础和铺垫。介绍高温合金、镍基铸造高温合金的基础理论、发展趋势以及面临的问题及挑战等。第2章着重阐述了镍基铸造高温合金的成分设计及熔炼工艺。第3章为镍基铸造高温合金的组织及热处理,详细分析了新型镍基铸造高温合金的组织特点及热处理对其组织和性能的影响。第4章为镍基铸造高温合金的性能描述,主要探讨了合金的物理性能、力学性能和焊接性能等。第5章介绍了镍基单晶高温合金中氧、氮、硫的存在形式,揭示了合金中氧、氨、硫的含量及存在形态对性能的影响。第6章的内容围绕镍基单晶高温合金铸态组织及y相和y'相合金元素分布特征进行了深入的分析。第7章讨论了镍基单晶高温合金的组织稳定性和持久性能,给出了合金的 Larson-Miller曲线等。希望通过本书的出版起到抛砖引玉的作用,能有助于镍基铸造高温合金的发展,能够丰富新型镍基铸造高温合金的设计理论基础,并为具有优异性能的新型镍基铸造高温合金早日工业化贡献一份力量。本书的研究工作得到了钢铁研究总院的帮助,特此向所有支持和关心本项研究的单位和个人表示衷心的感谢。还要感谢冶金工业出版社编辑为本书的出版付出的辛勤劳动。本书编写过程中参阅了有关文献和书籍,并均已收录在参考文献中,在此作者对相关文献作者一并致谢。由于作者水平所限,书中不妥之处欢迎广大读者不吝赐教。