【摘要】：先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(guò)程中的表面處理不當(dāng),會(huì)使葉片在服役過(guò)程中誘發(fā)胞狀組織轉(zhuǎn)變,嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)䦟?dǎo)致機(jī)毀人亡的危險(xiǎn)。因此,有必要開展表面加工和晶界組態(tài)對(duì)鎳基單晶高溫合金胞狀組織轉(zhuǎn)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(duì)象,通過(guò)對(duì)單晶高溫合金進(jìn)行表面加工和保溫?zé)崽幚?研究其表面胞狀晶團(tuán)對(duì)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(zhuǎn)變的各向異性之間的關(guān)系。通過(guò)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(zhuǎn)軸、基準(zhǔn)面和取向差)的雙晶合金,定量的研究晶界組態(tài)對(duì)雙晶合金晶界胞狀組織轉(zhuǎn)變的影響規(guī)律。為了研究不同強(qiáng)度的表面加工對(duì)SXG3單晶合金薄板樣品高溫持久性能的影響,通過(guò)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(guò)程中發(fā)生表面胞狀組織轉(zhuǎn)變,分別形成厚度為18和49 μm胞狀晶團(tuán),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(tuán)的胞界萌生和擴(kuò)展;胞狀晶團(tuán)越厚,裂紋向基體擴(kuò)展的越深。為了探索表面加工對(duì)單晶高溫合金表面塑性變形和表面胞狀組織轉(zhuǎn)變的影響,采用加工強(qiáng)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(shí)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?zé)崽幚砗?采用兩種工藝加工的單晶樣品表面胞狀晶團(tuán)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(shuō)明其厚度的各向異性取決于臨界塑性變形量。通過(guò)調(diào)整單晶取向并分別采用過(guò)渡液相(TLP)法和自擴(kuò)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(guò)程在1290 ℃/10-3Pa的條件下進(jìn)行,保溫時(shí)間為12-24h。TLP法連接鑄態(tài)CMSX-4合金的過(guò)程中同步完成了合金的固溶處理。其中,自擴(kuò)散連接工藝制備的晶界沒(méi)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(duì)含Re鎳基雙晶合金晶界處胞狀組織轉(zhuǎn)變影響的研究表明:SXG3雙晶合金[001]傾轉(zhuǎn)晶界在1100 ℃發(fā)生胞狀組織轉(zhuǎn)變的臨界取向差區(qū)間為20～25°:當(dāng)晶界取向差≤20°時(shí),晶界處形成一條γ相膜并析出粒狀R相;當(dāng)晶界取向差多25°時(shí),晶界處形成胞狀晶團(tuán)。當(dāng)[001]傾轉(zhuǎn)晶界的基準(zhǔn)面不同時(shí),晶界胞狀晶團(tuán)生長(zhǎng)方向存在差異。當(dāng)晶界以(010)為基準(zhǔn)面時(shí),胞狀晶團(tuán)主要向[010]單側(cè)方向生長(zhǎng);而當(dāng)晶界以(110)為基準(zhǔn)面時(shí),胞狀晶團(tuán)以近似均等的幾率向晶界兩側(cè)生長(zhǎng)。晶界胞狀晶團(tuán)生長(zhǎng)方向的差異主要取決于不同的晶面遷移率。950～1100 ℃保溫?zé)崽幚砗?不同取向差和基準(zhǔn)面的[001]傾轉(zhuǎn)晶界胞狀晶團(tuán)厚度相似,表明胞狀晶團(tuán)的生長(zhǎng)速率與晶界取向差和晶界基準(zhǔn)面無(wú)關(guān)。在950～1100 ℃下,胞狀組織轉(zhuǎn)變的表觀擴(kuò)散系數(shù)與同溫度下Re和W在Ni中的擴(kuò)散系數(shù)相近;SXG3合金[001]傾轉(zhuǎn)晶界胞狀組織轉(zhuǎn)變的表觀激活能為260 kJ/mol。經(jīng)1100 ℃保溫?zé)崽幚砗?胞狀組織轉(zhuǎn)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(kuò)散降低了晶界附近SXG3合金的Re元素過(guò)飽和度,使異種雙晶合金晶界胞狀晶團(tuán)在保溫200 h后的生長(zhǎng)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(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的制定提供物理冶金依據(jù),也可對(duì)未來(lái)單晶組合式葉片連接界面的穩(wěn)定性提供評(píng)估依據(jù):并對(duì)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(dǎo)意義。
【圖文】：

燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件的關(guān)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(yīng)力下服役。因此，，鎳基高溫逡逑合金成為先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件的首選材料。圖２－１是Ｒｏｌｌｓ邋Ｒｏｙｃｅ邋Ｔｒｅｎｔ發(fā)逡逑動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)中得到廣泛應(yīng)用，通常占整個(gè)航空發(fā)動(dòng)機(jī)總重的４０？５０％【３４】。逡逑：：逡逑—邋邋／邐＼邋—逡逑商壓ａ氣機(jī)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(jì)煎義希ǎ幔┓⒍疽饌跡唬ǎ猓┓⒍韃考褂貌牧戲植紀(jì)煎義顯諍嬌輾⒍�，涡录埆高温扔�(jì)哪芰孔晃新中幕的懿⒋義隙縞群脫蠱狗⒍屏�。牙C潮礱鰨喝計(jì)奈新紙諼露儒義廈刻岣擼擔(dān)

本文編號(hào)：2595710