【摘要】：近年來(lái),第四代單晶高溫合金以其優(yōu)異的綜合性能成為國(guó)際上的研究熱點(diǎn)之一。然而,由于合金中Re和Ru的價(jià)格極其昂貴,很大程度上限制了其工業(yè)化應(yīng)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(shí),關(guān)于合金化元素對(duì)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(chǔ)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(duì)象展開(kāi)研究,探究合金化元素對(duì)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(chǔ)上,闡明合金化元素的單獨(dú)和交互作用對(duì)合金950℃和1100℃組織穩(wěn)定性和950℃蠕變性能的影響機(jī)理。對(duì)經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)熱處理后的實(shí)驗(yàn)合金進(jìn)行顯微組織表征,隨后對(duì)不同Co和Ru含量的實(shí)驗(yàn)合金進(jìn)行1100℃/50-1000h的熱暴露實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明:實(shí)驗(yàn)合金經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)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?jǐn)?shù),Ru和Co的添加略微增大了 γ'相體積分?jǐn)?shù);Mo對(duì)γ'相體積分?jǐn)?shù)的影響不明顯。Co、Cr、Mo和Ru的添加不同程度增大了γ-了 錯(cuò)配度的絕對(duì)值。Co和Ru的添加均延緩了高溫長(zhǎng)時(shí)熱暴露過(guò)程中γ'相體積分?jǐn)?shù)的降低趨勢(shì)。對(duì)不同Co含量的合金進(jìn)行950℃和1100℃/50-1000h長(zhǎng)時(shí)熱暴露實(shí)驗(yàn),研究表明:在低Co含量的合金中,Cr和Mo的添加分別促進(jìn)合金在高溫?zé)岜┞哆^(guò)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(zhǎng)時(shí)熱暴露后穩(wěn)定存在。在低Co高M(jìn)o含量的合金中,1100℃長(zhǎng)時(shí)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(zhuǎn)變生成。此外,通過(guò)研究σ相和P相與基體的界面關(guān)系,得到σ相與基體界面?zhèn)认蜷L(zhǎng)大的臺(tái)階數(shù)量明顯高于P相與基體界面的臺(tái)階數(shù)量,這從動(dòng)力學(xué)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(jīng)950℃和1100℃長(zhǎng)時(shí)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(shí)間的延長(zhǎng),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(shí),熱暴露實(shí)驗(yàn)結(jié)果和熱力學(xué)平衡相圖計(jì)算結(jié)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(jìn)R相和μ相的析出。對(duì)實(shí)驗(yàn)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(duì)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?jǐn)?shù)和Y-Y'兩相錯(cuò)配度,從而提高合金蠕變性能。Cr和Mo的添加則對(duì)蠕變性能不利。Cr含量的提高降低了 γ'相體積分?jǐn)?shù),同時(shí)促進(jìn)合金在蠕變過(guò)程中析出TCP相,降低合金蠕變性能。Mo雖然提高Y-γ'兩相錯(cuò)配度,但Mo對(duì)于TCP相的促進(jìn)作用導(dǎo)致合金蠕變性能的下降。對(duì)高Co含量的實(shí)驗(yàn)合金在950℃/400MPa蠕變過(guò)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(cuò)和界面位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)是蠕變強(qiáng)化的主要方式。γ相中的層錯(cuò)形成于蠕變初始階段,并阻礙位錯(cuò)在γ通道的滑移。同時(shí),界面位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)的形成進(jìn)一步阻礙位錯(cuò)切割γ'相,降低了合金最小蠕變速率。高Co合金中同時(shí)添加Mo和Ru導(dǎo)致合金層錯(cuò)能的降低和γ相中層錯(cuò)密度的提高,提高合金蠕變壽命。通過(guò)本論文的研究,闡明了合金元素Co、Cr、Mo和Ru對(duì)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(shí),完善了高Co含量的第四代單晶高溫合金的蠕變變形機(jī)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(shí)驗(yàn)指導(dǎo)和理論依據(jù)。
【學(xué)位授予單位】：北京科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TG132.3
【圖文】：

工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)、化工和核電等工業(yè)部門(mén)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(dòng)機(jī)渦輪葉片的首逡逑選材料。圖２－１為Ｒｏｌｌｓ邋Ｒｏｙｃｅ邋Ｔｒｅｎｔ發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(gè)國(guó)家工業(yè)水平高低的重要標(biāo)志。如果說(shuō)航空發(fā)動(dòng)機(jī)作為逡逑一個(gè)國(guó)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(shù)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(dòng)機(jī)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(jì)４０年代問(wèn)世，最初是為了滿(mǎn)足噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)材料的耐逡逑高溫、高強(qiáng)度的要求而發(fā)展的。近年來(lái)，由于航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)推力和效率的逡逑日益增長(zhǎng)以及渦輪進(jìn)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(jié)了高溫合金的發(fā)展歷程，可見(jiàn)高溫合金高溫強(qiáng)度的不斷提高是與制備工藝逡逑的進(jìn)步和改善緊密相關(guān)。從４０年代到５０年代中期，主要通過(guò)成分調(diào)整來(lái)提逡逑．高合金性能。５０年代以后

的結(jié)晶方向平行于應(yīng)力軸，從而消除了橫向晶界，提高了合金的高溫強(qiáng)度。逡逑鎳基單晶高溫合金自從上世紀(jì)８０年代問(wèn)世以來(lái)己經(jīng)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(shù)的發(fā)展使鎳基單晶高溫逡逑合金得到了廣泛的應(yīng)用。目前，幾乎所有先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(gè)代次典型單晶合金的成分與密度�？偟膩�(lái)看，鎳基單晶高溫合金逡逑成分發(fā)展存在以下特點(diǎn)［１４］：逡逑（１）邐Ｃ、Ｂ、Ｈｆ從“完全去除”轉(zhuǎn)為“限量使用”。這幾種元素歷來(lái)被看作逡逑是晶界強(qiáng)化元素

Ｃｏ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｒｕ對(duì)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(guò)程中，引逡逑入了新的合金元素Ｒｕ。ＧＥ和ＯＮＥＲＡ公司最先對(duì)添加Ｒｕ的合金進(jìn)行了合逡逑金化實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與Ｒｅ相比，Ｒｕ最明顯的優(yōu)勢(shì)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(kāi)發(fā)第四代單晶高溫合金過(guò)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(qiáng)化相。圖２－３顯示了逡逑ＳＣ２１２２合金經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)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(hào)：2794040