【摘要】：鎳基單晶高溫合金因其優(yōu)異的高溫性能而廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)和地面燃?xì)廨啓C(jī)的關(guān)鍵熱端部件。隨著對(duì)合金承溫能力需求的不斷提高,合金中難熔元素含量不斷提高,發(fā)展到第三代單晶時(shí)難熔元素含量已超過(guò)20 wt.%,同時(shí)Re元素含量提高到4~6 wt.%。雖然難熔元素的增加能提高合金的力學(xué)性能,但同時(shí)也給固溶處理帶來(lái)嚴(yán)峻考驗(yàn):首先,難熔元素特別是Re元素的擴(kuò)散系數(shù)比其他元素低幾個(gè)數(shù)量級(jí),均勻化困難;其次,難熔元素會(huì)加重合金的枝晶偏析,導(dǎo)致共晶含量增多,增加固溶處理難度;最后,偏析加重的同時(shí),合金的初熔溫度降低,而γ′的溶解溫度則升高,導(dǎo)致熱處理窗口大幅度減小。雖然,分步固溶處理能在一定程度上緩解上述問(wèn)題,但仍存在耗時(shí)長(zhǎng)、殘余偏析嚴(yán)重等問(wèn)題,因此,高代次單晶高溫合金的固溶處理還需進(jìn)一步研究。本文以第三代鎳基單晶高溫合金為研究對(duì)象,通過(guò)斜坡固溶處理、重熔固溶處理、短時(shí)固溶處理等方法,從固溶時(shí)間、固溶溫度和枝晶組織尺度三方面優(yōu)化固溶處理工藝,逐步提高固溶效果;通過(guò)對(duì)熱處理組織的系統(tǒng)分析,闡明固溶效果對(duì)蠕變性能的影響機(jī)制,建立固溶工藝-組織-力學(xué)性能之間的關(guān)系。得到的主要結(jié)論如下:(1)提出基準(zhǔn)對(duì)比法,根據(jù)固溶處理過(guò)程中共晶的溶解動(dòng)力學(xué)過(guò)程建立基準(zhǔn),準(zhǔn)確判別合金在固溶處理中是否發(fā)生初熔,并獲得初熔溫度區(qū)間。進(jìn)一步提出微區(qū)成分模擬方法,獲得合金的初熔溫度為1265℃,并用激光共聚焦顯微鏡驗(yàn)證了該初熔溫度的準(zhǔn)確性。(2)采用點(diǎn)陣法和DICTRA動(dòng)力學(xué)模擬軟件研究固溶處理過(guò)程中殘余偏析的變化情況,發(fā)現(xiàn)在最高溫度1330℃下進(jìn)行固溶處理,隨著固溶時(shí)間從30h延長(zhǎng)到35h,殘余偏析減輕,其中Re元素的偏析比從2.15降低到1.93。隨著殘余偏析降低,時(shí)效處理后γ′的平均尺寸和體積分?jǐn)?shù)都略微減少,γ′尺寸分布更均勻。(3)提出了斜坡固溶處理方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)分步固溶處理,使固溶處理進(jìn)入一種良性循環(huán):固溶溫度升高-均勻化速度提高-偏析降低-初熔溫度提高-固溶溫度進(jìn)一步升高。斜坡固溶處理將更多的時(shí)間分配在更高的溫度上以提高固溶效果,從一定程度上抑制了初熔,可使固溶處理溫度從1330℃提高到1337℃,降低合金的殘余偏析,其中Re的偏析比從2.15降低到1.89。(4)提出重熔固溶處理方法,在固相線以上進(jìn)行固溶處理,通過(guò)后續(xù)固溶處理消除初熔組織。重熔固溶處理的溫度從常規(guī)固溶處理溫度的1330℃提高到1360℃,固溶處理時(shí)間從30h縮短到28.6h,殘余偏析有所降低,其中Re的偏析比從2.15降低到1.87。(5)研究了組織尺度對(duì)固溶處理的影響,開(kāi)發(fā)了短時(shí)固溶處理工藝。采用LMC高梯度定向凝固技術(shù),將合金的一次枝晶間距從260μm細(xì)化到83μm,固溶溫度從1330℃提高到1340℃,固溶時(shí)間從30h縮短到25h。由于固溶溫度提高且擴(kuò)散距離縮短,經(jīng)過(guò)短時(shí)固溶處理后殘余偏析顯著降低,其中Re的偏析比從2.15降低到1.17。(6)根據(jù)固溶處理過(guò)程中的擴(kuò)散通量差計(jì)算固溶微孔孔隙率,發(fā)現(xiàn)隨著固溶處理時(shí)間延長(zhǎng),固溶微孔孔隙率先增加后減小。當(dāng)枝晶的一次枝晶間距從260μm細(xì)化到83μm,元素均勻化程度增加,因此固溶微孔的孔隙率從0.41%減少到0.12%。(7)不同固溶處理工藝減輕合金的殘余偏析作用有所不同。其中通過(guò)細(xì)化枝晶間距來(lái)優(yōu)化固溶處理的優(yōu)化效果最佳,其次是通過(guò)提高固溶溫度,而延長(zhǎng)固溶時(shí)間的優(yōu)化效果最差。(8)優(yōu)化固溶處理工藝可顯著提高合金力學(xué)性能。隨著合金的殘余偏析降低,γ′尺寸均勻性和γ基體通道尺寸的均勻性均增加,合金的性能得到優(yōu)化,在1100℃/150 MPa下蠕變壽命從經(jīng)過(guò)常規(guī)分步固溶處理的105.5h最高提高到141.1h。
【圖文】：

圖 1-1 Ni 基高溫合金核心技術(shù)發(fā)展示意圖[4]Fig. 1-1 Core technology evolution schematic diagram of Ni-based superalloys[4]1.1.1 制備技術(shù)發(fā)展從 20 世紀(jì) 60 年代起定向凝固技術(shù)就應(yīng)用于鎳基高溫合金渦輪葉片制備，目前主流技術(shù)是通過(guò)利用機(jī)械抽拉系統(tǒng)使鑄型移出爐體的 Bridgman 定向凝固技術(shù)，工業(yè)界稱之高速凝固技術(shù)(High Rate Solidification，HRS)[5]來(lái)實(shí)現(xiàn)定向凝固。其工作原理如圖 1-2a 所示。

圖 1-1 Ni 基高溫合金核心技術(shù)發(fā)展示意圖[4]Fig. 1-1 Core technology evolution schematic diagram of Ni-based superal備技術(shù)發(fā)展0 世紀(jì) 60 年代起定向凝固技術(shù)就應(yīng)用于鎳基高溫合金渦輪葉片術(shù)是通過(guò)利用機(jī)械抽拉系統(tǒng)使鑄型移出爐體的 Bridgman 定向之高速凝固技術(shù)(High Rate Solidification，，HRS)[5]來(lái)實(shí)現(xiàn)定向凝圖 1-2a 所示。
【學(xué)位授予單位】：西北工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TG132.3

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本文編號(hào)：2680110