發(fā)布時間：2020-08-15 11:20

【摘要】：近年來,第四代單晶高溫合金以其優(yōu)異的綜合性能成為國際上的研究熱點之一。然而,由于合金中Re和Ru的價格極其昂貴,很大程度上限制了其工業(yè)化應用。因此,有必要優(yōu)化合金成分,探索并發(fā)展低成本(低Re)、高性能的第四代單晶高溫合金。同時,關于合金化元素對第四代單晶合金中TCP相析出和演變以及950℃C蠕變行為的影響研究還非常有限。在課題組前人研究工作的基礎上,本文以恒定Ni-6.0Al-4.0Re-8.0Ta-5.4W-0.1Hf 含量且不同 Co(～7.0/～15.0wt.%)、Cr(～3.5/～6.0wt.%)、Mo(～1.0/～2.5wt.%)和Ru(～2.5/～4.0wt.%)含量的第四代單晶高溫合金為對象展開研究,探究合金化元素對γ-γ'兩相組織穩(wěn)定性、TCP相析出和演變、950℃蠕變性能以及組織演變的影響規(guī)律。在此基礎上,闡明合金化元素的單獨和交互作用對合金950℃和1100℃組織穩(wěn)定性和950℃蠕變性能的影響機理。對經過標準熱處理后的實驗合金進行顯微組織表征,隨后對不同Co和Ru含量的實驗合金進行1100℃/50-1000h的熱暴露實驗。結果表明:實驗合金經過標準熱處理后的γ'相均呈現(xiàn)立方狀形貌。Cr的添加降低了γ'相體積分數,Ru和Co的添加略微增大了 γ'相體積分數;Mo對γ'相體積分數的影響不明顯。Co、Cr、Mo和Ru的添加不同程度增大了γ-了 錯配度的絕對值。Co和Ru的添加均延緩了高溫長時熱暴露過程中γ'相體積分數的降低趨勢。對不同Co含量的合金進行950℃和1100℃/50-1000h長時熱暴露實驗,研究表明:在低Co含量的合金中,Cr和Mo的添加分別促進合金在高溫熱暴露過程中σ相和P相的析出。在低Co高Cr含量合金中,σ相在950℃和1100℃長時熱暴露后穩(wěn)定存在。在低Co高Mo含量的合金中,1100℃長時熱暴露后P相穩(wěn)定存在;而在950℃熱暴露條件下P相由σ相轉變生成。此外,通過研究σ相和P相與基體的界面關系,得到σ相與基體界面?zhèn)认蜷L大的臺階數量明顯高于P相與基體界面的臺階數量,這從動力學角度證明了 σ相比P相更容易形核。在高Co含量的合金中,經950℃和1100℃長時熱暴露均析出了富Co的針狀μ相和塊狀R相。在950℃熱暴露條件下μ相先析出;隨著時間的延長,R相逐漸析出;而1100℃熱暴露后R相迅速析出并穩(wěn)定存在。同時,熱暴露實驗結果和熱力學平衡相圖計算結果均顯示R相在高溫下比μ相更為穩(wěn)定。此外,在高Co合金中Cr和Mo分別促進R相和μ相的析出。對實驗合金在950℃/400MPa條件下的蠕變性能以及組織演變規(guī)律的研究表明:Co和Ru的添加對蠕變性能有利,二者含量的提高不同程度增加了γ'相體積分數和Y-Y'兩相錯配度,從而提高合金蠕變性能。Cr和Mo的添加則對蠕變性能不利。Cr含量的提高降低了 γ'相體積分數,同時促進合金在蠕變過程中析出TCP相,降低合金蠕變性能。Mo雖然提高Y-γ'兩相錯配度,但Mo對于TCP相的促進作用導致合金蠕變性能的下降。對高Co含量的實驗合金在950℃/400MPa蠕變過程中亞微觀組織演變的研究表明:高Co合金在γ相中的層錯和界面位錯網絡是蠕變強化的主要方式。γ相中的層錯形成于蠕變初始階段,并阻礙位錯在γ通道的滑移。同時,界面位錯網絡的形成進一步阻礙位錯切割γ'相,降低了合金最小蠕變速率。高Co合金中同時添加Mo和Ru導致合金層錯能的降低和γ相中層錯密度的提高,提高合金蠕變壽命。通過本論文的研究,闡明了合金元素Co、Cr、Mo和Ru對第四代單晶高溫合金TCP相析出和演變以及950℃蠕變行為的影響規(guī)律。同時,完善了高Co含量的第四代單晶高溫合金的蠕變變形機理,為發(fā)展低成本、低密度、高性能的新一代單晶高溫合金提供了實驗指導和理論依據。
【學位授予單位】：北京科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TG132.3
【圖文】：

工業(yè)燃氣輪機、化工和核電等工業(yè)部門所需的？溫耐蝕部件。鎮(zhèn)基尚溫合金逡逑由于其工作溫度高，組織穩(wěn)定性好，因而發(fā)展成為航空發(fā)動機渦輪葉片的首逡逑選材料。圖２－１為Ｒｏｌｌｓ邋Ｒｏｙｃｅ邋Ｔｒｅｎｔ發(fā)動機各部位使用材料的示意圖，該圖逡逑表明鎮(zhèn)基高溫合金材料用量占發(fā)動機總量的４０％－６０％［１Ｑ］。因此，尚溫合金的逡逑發(fā)展水平是衡量一個國家工業(yè)水平高低的重要標志。如果說航空發(fā)動機作為逡逑一個國家工業(yè)上的皇冠，而以高溫合金為材料的渦輪葉片則被喻為“現(xiàn)代工業(yè)逡逑技術皇冠上的明珠”。逡逑ＪＸＩ逡逑滙邐—Ｓｔｅｅｌ逡逑0邋Ａｌｕｍｉｎｉｕｍ逡逑％邋Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ逡逑圖２－１邋Ｒｏｌｌｓ邋Ｒｏｙｃｅ邋Ｔｒｅｎｔ發(fā)動機各部位及其使用材料的示意圖｜１Ｄ】逡逑２．１鎳基單晶高溫合金的發(fā)展及其相組成逡逑２．１．１發(fā)展歷程逡逑高溫合金于上世紀４０年代問世，最初是為了滿足噴氣發(fā)動機對材料的耐逡逑高溫、高強度的要求而發(fā)展的。近年來，由于航空渦輪發(fā)動機推力和效率的逡逑日益增長以及渦輪進口溫度的不斷提高，高溫合金得以迅速發(fā)展。圖２－２總逡逑結了高溫合金的發(fā)展歷程，可見高溫合金高溫強度的不斷提高是與制備工藝逡逑的進步和改善緊密相關。從４０年代到５０年代中期，主要通過成分調整來提逡逑．高合金性能。５０年代以后

的結晶方向平行于應力軸，從而消除了橫向晶界，提高了合金的高溫強度。逡逑鎳基單晶高溫合金自從上世紀８０年代問世以來己經發(fā)展到了第四代，其逡逑承溫能力得到了不斷提高，如圖２－２所示。單晶技術的發(fā)展使鎳基單晶高溫逡逑合金得到了廣泛的應用。目前，幾乎所有先進航空發(fā)動機都以采用單晶葉片逡逑為特色［１２］。逡逑＿＿邋＾邐４扔邋Ｇｅｎ．逡逑２ｎｄ邋Ｇｅｎ．邋Ｇｅｎ．邋Ｉ逡逑？逡逑１，００邋［邐１ａ0ｅａ邋士逡逑５－邐ＯｃＭＳＸ－１０逡逑ｆ邐ＮＡＳＡｆ：，ｘ／Ｑｒ＞ｆＲｆ＾ｇ邐—逡逑Ｉ夬？邐煖】■逡逑；邐＾＾邋ｗｍ，逡逑￡邐ＪＵ－．ＵＪ邋ＬＪＷ７９２逡逑ｌ邐Ｄ？７３６ＬＣ邐．邐Ｓｉｎｇｌｅ邋Ｃｒｙｓｔａｌ逡逑Ｓ９００：邐＾邐＾逡逑Ｉ邐＾＜ｗ＾0Ｎ１°５邐Ｄｌｒｅｃｔｉｃ＾ａｌｔｙ邋Ｓｏｌｉｄｉｆｉｅｄ逡逑舅邋８００邋：逡逑Ｉ邋．邐Ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｌｙ邋Ｃａｓｔ逡逑１邋ｃＬ邋Ｗｒａｕ９ｈｔ｜＾逡逑？００邐＊邋＇＊邐＊邐＊邐？邋＿‘邋■？＿邋＊邋丨》＊邐？邐＊邐＊邋＊丨邋ｉ＿＿＿ｍ▲－一邋Ｉ邋？邐＊邋＊邐？邋＊邋ｍ－ｕ一＿＂▲■邋ｉ逡逑１３４０邐１９５０邐１９６０邐１９７０邐１９８０邐１９９０邐２０００邐２０１０逡逑Ｙｗｒ逡逑圖２－２鎳基高溫合金的發(fā)展歷程１１３１逡逑鎳基單晶高溫合金的合金化程度極高，通常添加十幾種合金元素。表２－１逡逑列出了各個代次典型單晶合金的成分與密度。總的來看，鎳基單晶高溫合金逡逑成分發(fā)展存在以下特點［１４］：逡逑（１）邐Ｃ、Ｂ、Ｈｆ從“完全去除”轉為“限量使用”。這幾種元素歷來被看作逡逑是晶界強化元素

Ｃｏ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｒｕ對第四代鎳基單晶ＴＣＰ相演變及９５０°Ｃ蠕變行為影響的研究逡逑（５）釕（Ｒｕ）等鉑族金屬元素的引入。在發(fā)展第４代單晶合金過程中，引逡逑入了新的合金元素Ｒｕ。ＧＥ和ＯＮＥＲＡ公司最先對添加Ｒｕ的合金進行了合逡逑金化實驗。實驗結果表明，與Ｒｅ相比，Ｒｕ最明顯的優(yōu)勢是具有較低的密度逡逑和較低的ＴＣＰ相析出傾向［１８］，添加Ｒｕ的單晶高溫合金表現(xiàn)出優(yōu)異的高溫蠕逡逑變性能。此外，在開發(fā)第四代單晶高溫合金過程中還引入了邋Ｐｔ，Ｉｒ，邋Ｐｄ和Ｒｈ逡逑等鉑族金屬元素［１９＿２１］。逡逑２．１．２高溫合金中的基本相組成逡逑鎳基單晶高溫合金的基本組成相為Ｙ基體和丫’強化相。圖２－３顯示了逡逑ＳＣ２１２２合金經過標準熱處理后枝晶干處典型顯微組織，其中白色襯度相為Ｙ逡逑相，黑色襯度立方狀析出相為Ｙ＇相。逡逑

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本文編號：2794040