【摘要】：先進航空發(fā)動機的鎳基單晶高溫合金渦輪葉片中小角度晶界和葉片制造過程中的表面處理不當,會使葉片在服役過程中誘發(fā)胞狀組織轉變,嚴重時甚至會導致機毀人亡的危險。因此,有必要開展表面加工和晶界組態(tài)對鎳基單晶高溫合金胞狀組織轉變影響因素和演變規(guī)律的研究。本文以含Re鎳基單晶高溫合金SXG3(第三代)和CMSX-4(第二代)為研究對象,通過對單晶高溫合金進行表面加工和保溫熱處理,研究其表面胞狀晶團對高溫持久壽命的影響規(guī)律,探索并闡釋單晶塑性變形的各向異性和表面胞狀組織轉變的各向異性之間的關系。通過探索連接具有不同取向的含Re鎳基單晶高溫合金的方法,制備出具有指定晶界組態(tài)(包括旋轉軸、基準面和取向差)的雙晶合金,定量的研究晶界組態(tài)對雙晶合金晶界胞狀組織轉變的影響規(guī)律。為了研究不同強度的表面加工對SXG3單晶合金薄板樣品高溫持久性能的影響,通過0.3 MPa/1 min和0.5 MPa/2 min的吹砂處理使SXG3單晶合金薄板在1100 ℃/200h真空熱處理過程中發(fā)生表面胞狀組織轉變,分別形成厚度為18和49 μm胞狀晶團,占據(jù)了 2.5X 1.5 mm薄板樣品橫截面的4%和11%。在980 ℃/250 MPa條件下,上述樣品的持久壽命分別下降了近30%和70%。裂紋沿胞狀晶團的胞界萌生和擴展;胞狀晶團越厚,裂紋向基體擴展的越深。為了探索表面加工對單晶高溫合金表面塑性變形和表面胞狀組織轉變的影響,采用加工強度較高的粗車+吹砂加工后,(001)面的表面塑性變形層厚度在[110]晶向處最大,在[010]晶向處最小,且呈現(xiàn)周期性變化:而經(jīng)與葉片實際生產(chǎn)中工藝參數(shù)相接近的吹砂加工后,(001)面的表面塑性變形層厚度較低且各向異性不顯著。經(jīng)1100 ℃/200h保溫熱處理后,采用兩種工藝加工的單晶樣品表面胞狀晶團厚度的各向異性與該單晶相同晶向處表面塑性變形層厚度及變化規(guī)律近似一致,說明其厚度的各向異性取決于臨界塑性變形量。通過調(diào)整單晶取向并分別采用過渡液相(TLP)法和自擴散法連接單晶合金,可分別制備CMSX-4和SXG3合金晶界組態(tài)可控的雙晶合金。單晶連接過程在1290 ℃/10-3Pa的條件下進行,保溫時間為12-24h。TLP法連接鑄態(tài)CMSX-4合金的過程中同步完成了合金的固溶處理。其中,自擴散連接工藝制備的晶界沒有新相析出,是晶界組態(tài)可控雙晶合金的理想制備方法。晶界組態(tài)對含Re鎳基雙晶合金晶界處胞狀組織轉變影響的研究表明:SXG3雙晶合金[001]傾轉晶界在1100 ℃發(fā)生胞狀組織轉變的臨界取向差區(qū)間為20～25°:當晶界取向差≤20°時,晶界處形成一條γ相膜并析出粒狀R相;當晶界取向差多25°時,晶界處形成胞狀晶團。當[001]傾轉晶界的基準面不同時,晶界胞狀晶團生長方向存在差異。當晶界以(010)為基準面時,胞狀晶團主要向[010]單側方向生長;而當晶界以(110)為基準面時,胞狀晶團以近似均等的幾率向晶界兩側生長。晶界胞狀晶團生長方向的差異主要取決于不同的晶面遷移率。950～1100 ℃保溫熱處理后,不同取向差和基準面的[001]傾轉晶界胞狀晶團厚度相似,表明胞狀晶團的生長速率與晶界取向差和晶界基準面無關。在950～1100 ℃下,胞狀組織轉變的表觀擴散系數(shù)與同溫度下Re和W在Ni中的擴散系數(shù)相近;SXG3合金[001]傾轉晶界胞狀組織轉變的表觀激活能為260 kJ/mol。經(jīng)1100 ℃保溫熱處理后,胞狀組織轉變僅在SXG3雙晶合金的晶界處發(fā)生,而不在CMSX-4雙晶合金的晶界處發(fā)生。CMSX-4和SXG3異種雙晶合金晶界處合金元素的自擴散降低了晶界附近SXG3合金的Re元素過飽和度,使異種雙晶合金晶界胞狀晶團在保溫200 h后的生長受到阻礙。本文研究為含Re鎳基單晶高溫合金表面加工工藝的制定以及葉片材料的成分優(yōu)化提供了依據(jù);為含小角度晶界的單晶葉片檢驗標準的制定提供物理冶金依據(jù),也可對未來單晶組合式葉片連接界面的穩(wěn)定性提供評估依據(jù):并對研發(fā)具有高組織穩(wěn)定性的單晶高溫合金具有理論指導意義。
【圖文】：

燃氣輪機熱端部件的關鍵材料。鎳基高溫合金的高溫組織穩(wěn)定性高于鐵基和逡逑－鈷基高溫合金，使其能在更高的溫度、更大的應力下服役。因此，，鎳基高溫逡逑合金成為先進航空發(fā)動機熱端部件的首選材料。圖２－１是Ｒｏｌｌｓ邋Ｒｏｙｃｅ邋Ｔｒｅｎｔ發(fā)逡逑動機的示意圖及其各部件使用材料分布圖１３３１。鎳基高溫合金在不同的類型的逡逑航空發(fā)動機中得到廣泛應用，通常占整個航空發(fā)動機總重的４０？５０％【３４】。逡逑：：逡逑—邋邋／邐＼邋—逡逑商壓ａ氣機離壓渦輪邐0邋Ａｌｕｍｉｎｕｍ逡逑S緬澹茫錚恚穡錚螅椋簦邋義希ǎ幔╁危ǎ猓╁義賢跡玻遙錚歟歟簀澹遙錚悖邋澹裕潁澹睿舴⒍疽饌技捌涓韃考褂貌牧戲植紀煎義希ǎ幔┓⒍疽饌跡唬ǎ猓┓⒍韃考褂貌牧戲植紀煎義顯諍嬌輾⒍�，涡录埆高温扔孁的能量转换为涡轮旋转的机械能并带辶x隙縞群脫蠱�，使发动机产生推力。牙C潮礱鰨喝計奈新紙諼露儒義廈刻岣擼擔

本文編號：2595710