本文選題：鎳基高溫合金熔煉　切入點：耐火材料　出處：《上海大學》2017年博士論文

【摘要】：航空發(fā)動機生產被視為國家戰(zhàn)略性產業(yè),而鎳基高溫合金是航空發(fā)動機的重要保障。為了保證航空發(fā)動機的可靠性,國內外對高溫合金中氣體和雜質含量都有嚴格的要求。但在雜質控制水平方面,我國與國際水平仍有較大差距。因此,提高鎳基合金的高溫冶金質量具有重要意義。真空感應熔煉是生產高溫合金的基本方法。目前廣泛使用的MgO和Al_2O_3坩堝耐火材料,存在高溫合金熔體與坩堝耐火材料的反應,污染了合金熔體,從而影響母合金的純凈度,降低合金的使用性能。從高溫合金純凈化熔煉角度考慮,本文旨在研發(fā)適用于鎳基高溫合金熔煉的氧化鋯耐火材料,以減小耐火材料對合金質量的影響。經過文獻調研,氧化鎂部分穩(wěn)定氧化鋯(MgO-PSZ)材料具有潛在的應用前景。本研究涉及MgO-PSZ的成型與燒結工藝和摻雜不同MgO含量的MgO-PSZ的性能的評價,并從高溫熱模擬侵蝕實驗和真空感應熔煉實驗兩個角度研究了MgO-PSZ作為高溫合金熔煉用耐火材料的可行性。實驗過程中提出MgO-PSZ的侵蝕機理。同時針對侵蝕機理提出Al_2O_3摻雜改進MgO-PSZ耐侵蝕性的解決措施,并探討了Al_2O_3摻雜改進MgO-PSZ耐侵蝕性的機制。論文通過分析MgO-PSZ素坯熱收縮和TG-DSC曲線,優(yōu)化了MgO-PSZ燒結工藝。對不同MgO(2.3 wt%、2.7 wt%、3.5 wt%和4.0 wt%)摻雜量的MgOPSZ性能進行了評價,得出當MgO摻雜含量為3.5 wt%時,MgO-PSZ強度與楊氏模量的比值最大,熱膨脹曲線呈線性變化,具有較好的抗熱震性。通過高溫熱模擬侵蝕實驗研究了3.5 wt%MgO-PSZ與K403鎳基高溫合金的界面行為。研究表明:3.5 wt%MgO-PSZ基片與K403鎳基高溫合金發(fā)生反應,生成Al_2O_3,而部分Al_2O_3又與基片中的MgO反應生成Mg Al2O4。3.5 wt%MgOPSZ經鎳基高溫合金循環(huán)侵蝕后,表面發(fā)生破損剝落。針對該問題,提出了3.5wt%MgO-PSZ的侵蝕破損機制。3.5 wt%MgO-PSZ基片侵蝕破損是由鎳基高溫合金熔體對3.5 wt%MgO-PSZ的化學侵蝕和熱循環(huán)對3.5 wt%MgO-PSZ的熱侵蝕共同導致。其中,鎳基高溫合金熔體對3.5 wt%MgO-PSZ的化學侵蝕是導致3.5 wt%MgO-PSZ基片侵蝕破損的主要因素,而熱循環(huán)則加速基片的侵蝕破損。針對侵蝕破損機制,提出Al_2O_3摻雜改善3.5 wt%MgO-PSZ耐侵蝕性的解決途徑,并評價Al_2O_3不同摻雜含量對3.5 wt%MgO-PSZ耐侵蝕性的改善效果。當基片中Al_2O_3的摻雜量為0.8 wt%時,其循環(huán)使用次數(shù)由3次提高至8次,材料的耐侵蝕性達到最佳。同時探討Al_2O_3摻雜改善3.5 wt%MgO-PSZ耐侵蝕性機制。從化學侵蝕角度,Al_2O_3摻雜劑與3.5 wt%MgO-PSZ中的MgO在基體中生成Mg Al2O4,提高了MgO在3.5 wt%MgO-PSZ基體中的穩(wěn)定性,使得基片中MgO向界面擴散減慢,從而減緩了界面產物Al_2O_3與3.5 wt%MgO-PSZ中MgO的反應,即減小了化學反應對基片的侵蝕,改善了基片的耐侵蝕性。從熱循環(huán)角度,摻雜適量Al_2O_3有助于提高MgO-PSZ的熱循環(huán)穩(wěn)定性。這兩方面因素共同作用改善了MgO-PSZ耐鎳基高溫合金侵蝕性能。采用摻雜0.8 wt%Al_2O_3的3.5 wt%MgO-PSZ坩堝材料真空感應熔煉實驗鎳基高合金,驗證實際冶煉過程中坩堝耐火材料對鎳基高溫合金氧含量的影響。結果表明摻雜0.8 wt%Al_2O_3的3.5 wt%MgO-PSZ展現(xiàn)了更好的化學穩(wěn)定性,基本沒有向合金液供氧。該現(xiàn)象與熱力學分析結果相一致。綜合上述分析,作為熔煉鎳基高溫合金的耐火材料,摻雜0.8 wt%Al_2O_3的3.5 wt%MgO-PSZ材料具有較好的耐侵蝕性和熱循環(huán)穩(wěn)定性,展現(xiàn)了潛在的應用前景。
[Abstract]:Aero engine production is regarded as a national strategic industry, and the nickel base superalloy is an important guarantee for aero engine. In order to ensure the reliability of both at home and abroad on gas and impurity content in high temperature alloy has strict requirements. But in control of impurity level, our country and the international level there are still large gaps. Therefore, it is of great significance to improve the metallurgical quality of high temperature nickel base alloy. Vacuum induction melting is a basic method for production of high temperature alloy. The widely used MgO and Al_2O_3 crucible refractory material, there is high temperature alloy melt and crucible refractory reaction, pollution of the alloy melt, thus affecting the purity of the master alloy, reduce the use of properties of the alloy. From the high temperature alloy. The purity of melting point of view, this paper aims to develop zirconia refractories used for smelting nickel base superalloy, to reduce the refractory material of the alloy The quality of influence. Through literature research, Magnesium Oxide partially stabilized zirconia (MgO-PSZ) material has potential application prospect. To evaluate the performance of this study relates to MgO-PSZ molding and sintering process and doped with different content of MgO MgO-PSZ, and from the high temperature thermal simulation of MgO-PSZ as high temperature alloy smelting with feasibility of refractories. Erosion two the point of view of experiment and vacuum induction melting experiment of erosion mechanism of MgO-PSZ is proposed in the course of the experiment. At the same time according to the corrosion mechanism of Al_2O_3 doped MgO-PSZ presents improved corrosion resistance measures, and discusses the improvement of Al_2O_3 doped MgO-PSZ resistance mechanisms to corrosion. By analyzing MgO-PSZ compacts thermal shrinkage and TG-DSC curve, the optimization of MgO-PSZ sintering process. On different MgO (2.3 wt%, 2.7 wt%, 3.5 wt% and 4 wt%) properties of MgOPSZ doping amount was evaluated when the MgO content is 3.5 wt%, MgO- Young's modulus and strength of PSZ maximum ratio, thermal expansion curve changes linearly, has good thermal shock resistance. Through thermal simulation of interfacial behavior of 3.5 wt%MgO-PSZ and K403 nickel base superalloy was investigated. The results show that the erosion experiment: 3.5 wt%MgO-PSZ substrate and K403 nickel based superalloy reacts to generate Al_2O_3, and some Al_2O_3 and Mg Al2O4.3.5 and MgO reaction in the wt%MgOPSZ substrate with nickel base superalloy cyclic erosion after surface damage spalling. Aiming at this problem, put forward the 3.5wt%MgO-PSZ.3.5 wt%MgO-PSZ substrate breakage mechanism of erosion erosion damaged by nickel based high temperature alloy thermal erosion chemical corrosion and heat cycle on 3.5 wt%MgO-PSZ on the 3.5 wt%MgO-PSZ common cause. The chemical corrosion of nickel based high temperature alloy melt to 3.5 wt%MgO-PSZ are the main factors causing 3.5 wt%MgO-PSZ substrate erosion damage, and heat Cycle accelerated erosion substrate damage. For erosion damage mechanism, proposed Al_2O_3 doping improved 3.5 wt%MgO-PSZ resistant corrosive solution, and to evaluate different Al_2O_3 doping content corrosion effect on 3.5 wt%MgO-PSZ. When the doping amount of Al_2O_3 in the substrate is 0.8 wt%, the cycle number rose from 3 times to 8 times, the erosion resistance of materials to achieve the best. At the same time to explore the influence of Al_2O_3 doping wt%MgO-PSZ 3.5 corrosion mechanism. From the angle of chemical erosion, Al_2O_3 dopant and wt%MgO-PSZ in the 3.5 generation of Mg Al2O4 MgO in the matrix, improve the stability of MgO 3.5 in the wt%MgO-PSZ matrix, the substrate MgO to interface diffusion slow down, thus slowing the interface product of Al_2O_3 and 3.5 wt%MgO-PSZ MgO reaction, which reduced the erosion of chemical reaction on the substrate, the substrate to improve the corrosion resistance. From the angle of thermal cycling, doping amount of Al _2O_3 helps to improve the thermal stability of MgO-PSZ. The interaction of these two factors to improve the MgO-PSZ resistance of Ni based high temperature alloy corrosion performance. By doping 0.8 wt%Al_2O_3 3.5 wt%MgO-PSZ vacuum induction melting crucible material experiment of nickel - base alloy, validate the effect the crucible refractory material in the smelting process of the actual oxygen content of nickel based superalloy. Results show that the 0.8 wt%Al_2O_3 doped 3.5 wt%MgO-PSZ showed better chemical stability, no oxygen supply to the alloy liquid. This phenomenon and the thermodynamic analysis results are consistent. Based on the above analysis, the refractory material smelting of nickel based superalloy, 0.8 wt%Al_2O_3 doped 3.5 wt%MgO-PSZ material has good corrosion resistance and thermal stability, show the potential application prospects.

【學位授予單位】：上海大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TF815;TQ175.7

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