【摘要】：L12強(qiáng)化型鈷基高溫合金的發(fā)現(xiàn)為航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的高溫性能研究開(kāi)辟了新的方向。Co-Al-W三元系新型鈷基高溫合金微觀組織與γ/γ'型鎳基高溫合相似,但熔點(diǎn)更高,因此在提高合金服役溫度方面具有更大潛力。然而,目前對(duì)Co-A1-W鈷基高溫合金中γ'強(qiáng)化相的熱穩(wěn)定性、合金的抗氧化性能及蠕變性能等的研究還不夠充分,關(guān)于高溫變形機(jī)制的理論也尚未成熟,這些問(wèn)題的解決對(duì)新型鈷基高溫合金的發(fā)展至關(guān)重要。由于長(zhǎng)期在高溫環(huán)境下工作,高溫合金中γ'強(qiáng)化相的熱穩(wěn)定性以及合金抗氧化性能至關(guān)重要。本文研究了三種W含量不同的Co-9Al-xW-0.lB(x=8,9,1 1)鈷基高溫合金在900℃分別時(shí)效200、500、1000、2000、5000和10000h后γ'相的熱穩(wěn)定性。利用掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡觀察了γ'相的形貌變化、體積分?jǐn)?shù)變化、尺寸變化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)隨時(shí)效時(shí)間延長(zhǎng)γ'相的體積分?jǐn)?shù)減小,粗化規(guī)律大致符合LSW理論。利用背散射電子衍射和X射線衍射鑒定了γ-Co相、γ'-Co3(Al,W)相、D019-Co3W相和B2-CoAl相的平衡,γ'相在900℃為亞穩(wěn)定相,會(huì)分解為D019相。結(jié)合透射電子顯微鏡從原子尺度闡釋了 L12→D019相的微觀相變機(jī)理,1/6112{111}型位錯(cuò)和{111}面堆垛層錯(cuò)為相變的必要途徑。研究了 Co-Al-W-O.lB鈷基高溫合金在900℃分別熱暴露1000、5000和10000h后的抗氧化性能。利用掃描電子顯微鏡結(jié)合X射線能量散射譜和X射線衍射分析了氧化層的構(gòu)成,從內(nèi)到外依次為A1203、混合氧化層、CoO,在合金基體外側(cè)出現(xiàn)Co3W/γ區(qū)域。利用掃描電子顯微鏡觀察各氧化層的形貌、厚度增長(zhǎng)規(guī)律及結(jié)構(gòu)演變規(guī)律,發(fā)現(xiàn)合金中W含量的提高可以增強(qiáng)γ'相的熱穩(wěn)定性,并改善合金高溫抗氧化性能。渦輪葉片在工作時(shí)通常還受到較小的應(yīng)力,合金的蠕變性能是衡量高溫合金優(yōu)劣的重要指標(biāo)。單晶可顯著消除晶界對(duì)高溫強(qiáng)度、抗氧化性等的損害,本文利用定向凝固方法結(jié)合螺旋選晶法制備了不同W含量的三種單晶Co-9Al-xW(x=8,9,11)鈷基高溫合金。單晶合金的壓縮蠕變實(shí)驗(yàn)在850℃,460MPa進(jìn)行,W含量的增加可以提高合金的高溫強(qiáng)度,但W含量過(guò)高會(huì)使合金在壓縮蠕變中較早發(fā)生失效。利用透射電子顯微鏡觀察對(duì)比了三種合金的蠕變組織,發(fā)現(xiàn)W含量較低的合金中位錯(cuò)密度最大,堆垛層錯(cuò)密度最小,W含量的提高增加了γ'相被1/3112位錯(cuò)對(duì)切割的幾率,弱化了γ相通道中1/2110位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)。在掃描電子顯微鏡下觀察了單晶鈷基高溫合金壓縮蠕變過(guò)程中不同時(shí)期γ相通道和γ'沉淀相的形貌演變規(guī)律,γ'沉淀相在沿著垂直于壓縮應(yīng)力的方向筏化。對(duì)筏化的γ'相長(zhǎng)度及增寬的γ相通道寬度進(jìn)行量化,結(jié)果表明γ'相的筏化從瞬時(shí)應(yīng)變速率達(dá)到最小值時(shí)開(kāi)始。利用透射電子顯微鏡觀察了蠕變過(guò)程中不同時(shí)期位錯(cuò)和堆垛層錯(cuò)等缺陷的演變規(guī)律,在與應(yīng)力軸垂直的γ相基體通道有劇烈的1/2110{111}型位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象,而在平行于應(yīng)力軸的γ相基體通道中幾乎沒(méi)有觀察到位錯(cuò),這與不同方向應(yīng)力水平差異有關(guān);堆垛層錯(cuò)是由1/3112位錯(cuò)對(duì)切割γ'沉淀相形成的。γ'沉淀相顆粒的筏化總是從角落堆垛層錯(cuò)密度較高的位置開(kāi)始融合的,這些堆垛層錯(cuò)為筏化過(guò)程中的原子定向擴(kuò)散提供了通道,筏化的驅(qū)動(dòng)力為γ相基體通道中的1/2110{111}位錯(cuò)網(wǎng)釋放的γ/γ'兩相界面的晶格錯(cuò)配應(yīng)力。在高溫合金蠕變過(guò)程中,γ/γ'兩相晶格錯(cuò)配度的符號(hào)及大小均對(duì)塑性變形行為有嚴(yán)重的影響。本文利用同步加速輻射高能X射線衍射同位檢測(cè)了三種鈷基高溫合金從20℃加熱到1000℃的過(guò)程中的γ/γ'兩相晶格常數(shù)及界面晶格錯(cuò)配度的演變規(guī)律。結(jié)果表明γ/γ'兩相晶格常數(shù)在低溫范圍內(nèi)同步穩(wěn)定增長(zhǎng),此時(shí)晶格錯(cuò)配度大致保持不變,這與兩相熱膨脹系數(shù)之差有關(guān);高溫范圍內(nèi)γ相的晶格常數(shù)加速增大,此時(shí)晶格錯(cuò)配度的急劇下降與γ'相的分解和原子擴(kuò)散有關(guān),但總是保持正值。通過(guò)對(duì)Co-9Al-8W單晶鈷基高溫合金在850℃和400MPa條件下壓縮蠕變過(guò)程中高能X射線衍射同位檢測(cè)的單晶衍射斑的標(biāo)定分析和對(duì)衍射峰的擬合分離,得到了γ/γ'兩相晶格常數(shù)和界面晶格錯(cuò)配度的變化規(guī)律。由于水平γ/γ'兩相界面共格應(yīng)力被γ相基體通道中位錯(cuò)釋放,與應(yīng)力軸垂直方向的γ'相晶格常數(shù)明顯增大,此方向的晶格錯(cuò)配度也隨之明顯增大,而與應(yīng)力軸平行方向的晶格常數(shù)與晶格錯(cuò)配度均為發(fā)生明顯的變化。
【圖文】：

圖 1-1 高溫合金的性能演變[20]Fig.1-1 Properties evolution of superalloys[20]溫合金發(fā)展從二十世紀(jì)五十年代起步，在前蘇聯(lián)專(zhuān)家合金工藝，先后制造出 GH4033、GH2036、GH3030、的高溫合金。為了擺脫前蘇聯(lián)的技術(shù)封鎖，我國(guó)開(kāi)始出 GH2135、GH2302、GH1140 等系列鐵鎳基高溫合金o 資源的困難。隨著歐美先進(jìn)技術(shù)、檢測(cè)手段及大型真引進(jìn)，我國(guó)利用不同的制造方法開(kāi)發(fā)出一系列新的高造合金、定向凝固合金以及單晶合金，其高溫性能基產(chǎn)水平。九十年代以后，高溫合金的制造工藝不斷進(jìn)不斷涌現(xiàn)，渦輪盤(pán)粉末高溫合金 FGH4095、FGH4096 彌散強(qiáng)化的高溫合金 MGH4754、FGH2756 可應(yīng)用于高溫合金 DZ4125、DZ604M 和單晶高溫合金 DD402、80~1100°C；耐熱耐腐蝕、可鍛可鑄的高 Cr 合金 GH4出優(yōu)異的性能[21]。近年來(lái)，，高溫合金的發(fā)展主要體現(xiàn)

圖 1-2 鎳基高溫合金的晶體結(jié)構(gòu)單胞：(a) Ni- ；(b) Ni3Al-1-2 The lattice structure of Ni-base superalloys: (a) Ni- ; (b) N溫合金中， 和 相具有{100} ||{100} 、<100> ||<1001>方向作為公共晶面法向。 和 兩相晶格常數(shù)相差不兩相晶格錯(cuò)配度定義為δ = 2( )/( )，它關(guān)鍵性的作用。在大部分鎳基高溫合金中， 相的錯(cuò)配度 <0。溶質(zhì)在 和 兩相中的分配是影響晶格素原子半徑與基體元素原子半徑相差越大，溶質(zhì)在晶格錯(cuò)配度越大[32]。晶格錯(cuò)配度的大小及符號(hào)對(duì) 相影響，晶格錯(cuò)配度越小， 沉淀相越偏向于以球狀顆狀顆粒以前必須生長(zhǎng)到一定尺寸，而晶格錯(cuò)配度較以立方陣列形式析出[33]。圖 1-3 中的背散射電子微高溫合金 IN738LC 中的 / 兩相形貌，圖中尺寸較 相以球狀顆粒析出[34]。溫合金的基體 相和 沉淀相中均存在堆垛層錯(cuò)、位
【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(lèi)號(hào)】：TG132.3

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本文編號(hào)：2710777