【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)動機和地面燃氣輪機的關(guān)鍵熱端部件。隨著對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)展到第三代單晶時難熔元素含量已超過20 wt.%,同時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,但同時也給固溶處理帶來嚴峻考驗:首先,難熔元素特別是Re元素的擴散系數(shù)比其他元素低幾個數(shù)量級,均勻化困難;其次,難熔元素會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,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題,但仍存在耗時長、殘余偏析嚴重等問題,因此,高代次單晶高溫合金的固溶處理還需進一步研究。本文以第三代鎳基單晶高溫合金為研究對象,通過斜坡固溶處理、重熔固溶處理、短時固溶處理等方法,從固溶時間、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;通過對熱處理組織的系統(tǒng)分析,闡明固溶效果對蠕變性能的影響機制,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)提出基準對比法,根據(jù)固溶處理過程中共晶的溶解動力學(xué)過程建立基準,準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證了該初熔溫度的準確性。(2)采用點陣法和DICTRA動力學(xué)模擬軟件研究固溶處理過程中殘余偏析的變化情況,發(fā)現(xiàn)在最高溫度1330℃下進行固溶處理,隨著固溶時間從30h延長到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,時效處理后γ′的平均尺寸和體積分數(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-固溶溫度進一步升高。斜坡固溶處理將更多的時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,在固相線以上進行固溶處理,通過后續(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)研究了組織尺度對固溶處理的影響,開發(fā)了短時固溶處理工藝。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細化到83μm,固溶溫度從1330℃提高到1340℃,固溶時間從30h縮短到25h。由于固溶溫度提高且擴散距離縮短,經(jīng)過短時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)固溶處理過程中的擴散通量差計算固溶微孔孔隙率,發(fā)現(xiàn)隨著固溶處理時間延長,固溶微孔孔隙率先增加后減小。當枝晶的一次枝晶間距從260μm細化到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。其中通過細化枝晶間距來優(yōu)化固溶處理的優(yōu)化效果最佳,其次是通過提高固溶溫度,而延長固溶時間的優(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 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)是通過利用機械抽拉系統(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]來實現(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 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)是通過利用機械抽拉系統(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]來實現(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)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TG132.3

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本文編號：2680110