【摘要】：鎳基合金有著廣泛的工業(yè)應(yīng)用,隨著工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步,業(yè)界對(duì)鎳基合金的綜合性能提出更高的要求,尤其是很多應(yīng)用要求更高的強(qiáng)度。通過(guò)強(qiáng)烈塑性變形方法(SPD)制備納米晶合金,可以在不額外添加合金元素的前提下實(shí)現(xiàn)材料強(qiáng)度的數(shù)倍提升,因此,該方法成為制備納米晶材料的一個(gè)重要手段。采用諸如等徑角擠壓、高壓扭轉(zhuǎn)等傳統(tǒng)SPD技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)納米晶鎳基合金的大規(guī)模制備,軋制方法是最常用、最理想的工業(yè)化生產(chǎn)板材的方法。目前,鮮有關(guān)于大變形軋制制備納米晶鎳基合金及其組織演變、力學(xué)性能變化的系統(tǒng)性研究。本研究以新型低成本Al_(1.3~1.9)Ti_(1.2~1.6)Nb_(0.5)Mn_(0.6)W_(1.0)Mo_(0.2) Si_(0.1)Zr_(0.02)C_(0.03)B_(0.004)Fe_(20~30)Cr_(20~25)Ni_(bal)(wt.%)合金為研究對(duì)象,采用98.3%大變形軋制制備了納米晶鎳基合金薄板,系統(tǒng)研究了退火對(duì)納米晶鎳基合金組織演變及力學(xué)性能變化的影響,探討了納米晶鎳基合金中γ?相的析出行為及其對(duì)納米鎳基合金高溫?zé)岱�(wěn)定性的影響,通過(guò)組織調(diào)控制備了高強(qiáng)高塑的多尺度鎳基合金。本文利用室溫大變形軋制(98.3%變形量)制備平均晶粒尺寸為~50 nm的納米晶單相鎳基合金,其屈服強(qiáng)度可達(dá)1455 MPa,為軋制前粗晶合金屈服強(qiáng)度的5.7倍(253 MPa)。定量研究了冷軋單相納米晶鎳基合金中各強(qiáng)化機(jī)制對(duì)屈服強(qiáng)度的貢獻(xiàn),細(xì)晶強(qiáng)化和位錯(cuò)強(qiáng)化對(duì)材料屈服強(qiáng)度的貢獻(xiàn)分別為723.7 MPa和602.7 MPa。此外,通過(guò)研究不同變形量軋制鎳基合金的微觀組織特征,發(fā)現(xiàn)當(dāng)軋制變形量為44%時(shí),基體的原始粗晶變成幾十到幾百納米寬的孿晶-基體相間的層片組織,變形量大于79%,基體中形成超細(xì)晶、納米晶晶粒。研究了退火工藝對(duì)納米晶鎳基合金組織及力學(xué)性能影響,揭示納米晶鎳基合金中γ?相的析出行為及其強(qiáng)化機(jī)理,研究微細(xì)晶鎳基合金中的上下屈服平臺(tái)效應(yīng)。納米晶鎳基合金中γ?相分布不均勻,優(yōu)先在晶界處和晶粒內(nèi)部高位錯(cuò)密度處析出;且γ?相尺寸大小呈雙峰分布,晶界處原子擴(kuò)散較快,附近γ?相尺寸更大,晶粒內(nèi)部γ?相尺寸則較小。以冷軋納米晶合金經(jīng)700℃退火1h樣品為例,定量分析了退火態(tài)納米晶鎳基合金的強(qiáng)化機(jī)制,γ?第二相強(qiáng)化對(duì)屈服強(qiáng)度貢獻(xiàn)最大為683.3 MPa,位錯(cuò)強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化對(duì)屈服強(qiáng)度貢獻(xiàn)分別為424.3 MPa、461.9 MPa,計(jì)算得到材料的屈服強(qiáng)度為1749.3 MPa,與實(shí)際測(cè)得的結(jié)果較好吻合(1827 MPa)。研究微細(xì)晶鎳基合金中的上下屈服平臺(tái)效應(yīng),驗(yàn)證了晶粒尺寸、初始位錯(cuò)密度對(duì)該現(xiàn)象的影響,在低初始位錯(cuò)密度的合金中,晶粒尺寸處在0.81~2.11μm范圍內(nèi)的樣品,在靜態(tài)拉伸過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)上下屈服平臺(tái)效應(yīng)。選取晶粒尺寸為0.91μm的樣品為研究對(duì)象,通過(guò)調(diào)控基體中初始位錯(cuò)密度,研究了初始位錯(cuò)密度對(duì)上下屈服平臺(tái)效應(yīng)的影響,發(fā)現(xiàn)具有高密度初始位錯(cuò)的預(yù)拉伸樣品中屈服平臺(tái)現(xiàn)象消失了,退火后具有低初始位錯(cuò)密度的樣品中該現(xiàn)象重新出現(xiàn)。研究了納米晶鎳基合金的高溫穩(wěn)定性,發(fā)現(xiàn)了其高熱穩(wěn)定性機(jī)理,在高熱穩(wěn)定性研究基礎(chǔ)上,制備了高強(qiáng)高塑的多尺度鎳基合金,研究了其高強(qiáng)高塑機(jī)制。納米晶鎳基合金具有高的熱穩(wěn)定性,其熱穩(wěn)定溫度為700℃(~0.62T_m),納米晶鎳基合金700℃下退火300 h后合金的平均晶粒尺寸僅為~180nm,γ?相的平均尺寸由~31 nm長(zhǎng)大至~50 nm。研究發(fā)現(xiàn)納米晶鎳基合金基體的高溫長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性歸因于γ?相對(duì)納米晶晶界的持續(xù)“釘扎”作用,納米晶合金基體中大量的晶界和位錯(cuò)能促使γ?相快速析出,在晶�？焖匍L(zhǎng)大之前對(duì)晶界產(chǎn)生“釘扎”作用,阻礙基體晶粒長(zhǎng)大,使合金表現(xiàn)出高的熱穩(wěn)定性。通過(guò)低溫時(shí)效結(jié)合高溫短時(shí)保溫的兩段熱處理工藝(600℃/10h+950℃/5min),得到由微米晶粒-超細(xì)晶粒-納米析出相三組元構(gòu)成的多尺度鎳基合金,發(fā)現(xiàn)多尺度鎳基合金具有比冷軋納米晶鎳基合金更好的綜合性能,多尺度合金的屈服強(qiáng)度為1534 MPa,延伸率為9.8%,優(yōu)于冷軋納米晶合金的屈服強(qiáng)度1455 MPa、延伸率2%,其優(yōu)異的塑性歸因于塑性變形中粗晶與超細(xì)晶的協(xié)調(diào)作用,高的屈服強(qiáng)度主要?dú)w因于基體中超細(xì)晶晶粒和大量納米析出相。
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TG146.15
【圖文】：

在γ 相強(qiáng)化的高溫合金中 Al 和 Ti 原子可以取代 Nb 原子的如 Ni3(Nb, Al, Ti)。其一般呈圓盤狀彌散共格在基體中析出，除入適量的 Fe 和 Cr 才能形成γ 相，γ 相強(qiáng)化的合金都是鐵鎳合金金主要靠γ 相沉淀強(qiáng)化，或者是與γ 相結(jié)合強(qiáng)化，這四種合金為Inconel 706、Rene62 和 Udimet630，這幾種合金中含有大約 2e。γ 相為亞穩(wěn)定態(tài)的過(guò)渡相，在高溫長(zhǎng)期保溫下，很容易聚集長(zhǎng) 轉(zhuǎn)變，因此使用溫度不能超過(guò) 650～700℃。主要是通過(guò)基體中的細(xì)小、彌散分布的γ /γ 相強(qiáng)化。γ /γ 相與基系，當(dāng)γ /γ 相與滑移位錯(cuò)發(fā)生交互作用時(shí)，共格應(yīng)力場(chǎng)將與位錯(cuò)產(chǎn)生共格應(yīng)變強(qiáng)化(錯(cuò)配度強(qiáng)化)；當(dāng)位錯(cuò)切過(guò)γ /γ 相與基體的界增加界面能，產(chǎn)生化學(xué)強(qiáng)化；同時(shí)位錯(cuò)切過(guò)γ /γ 粒子前后層錯(cuò)的，產(chǎn)生層錯(cuò)強(qiáng)化，而且γ /γ 相與基體的彈性模量的差異會(huì)形成模γ 和γ 相均是一種有序相，當(dāng)超位錯(cuò)切過(guò)有序相時(shí)，第一根位錯(cuò)成反相疇界(APB)，產(chǎn)生有序強(qiáng)化，同時(shí)超位錯(cuò)滑過(guò)有序相時(shí)將生層錯(cuò)強(qiáng)化。

納米晶或超細(xì)晶材料的 SPD 方法主n or Pressing, ECAE/ECAP)、高壓ulative Roll Bonding, ARB)、表面表面碾壓技術(shù)(surface mechincal gr圖如圖 1-2 所示，模具由兩個(gè)以一理為：在上端壓桿的強(qiáng)力作用下，試在通過(guò)轉(zhuǎn)角區(qū)時(shí)，材料發(fā)生強(qiáng)烈的和 的大小來(lái)優(yōu)化加工工藝，Φ角通，組織細(xì)化越顯著。除此之外，加壓影響[41, 42]。

圖 1-3 不同的 ECAP 路徑[4]Figure 1-3 Four different ECAP routes路徑會(huì)使材料內(nèi)部剪切應(yīng)變狀態(tài)不同，致使材料的組織和性能有所不同。單個(gè)道次的擠壓得到的組織更加細(xì)，材料的屈服強(qiáng)度更高[46, 47]，但對(duì)于低純鎂及鎂合金[48-50]，銅及銅合金[47, 51]，鋁及其合金[52-54]，當(dāng)擠壓道次增加后，組織的細(xì)化和強(qiáng)度的提高將達(dá)到飽和狀態(tài)。ECAP 方法已成功應(yīng)用于備，如 Al[55, 56]、Cu[57]、Mg[58, 59]、Ni[41, 60-64]、Ti 鈦及 Ti 合金[65]、鐵基合金[68-70]和 Mg 合金[71, 72]等。ECAP 最大的優(yōu)勢(shì)在于可以在保證樣品不破碎現(xiàn)對(duì)一些低塑性、難變形樣品的加工，如 Ti-Al-V 合金、Ti-Ni-Ta-ZR 合金法的不足之處在于，一方面受模具尺寸的限制，ECAP 難以加工大尺寸的一方面，由于對(duì)模具強(qiáng)度的要求較高，強(qiáng)度較高的合金難以實(shí)現(xiàn) ECAP Ni 及其合金的研究領(lǐng)域中，ECAP 是主要的制備方法之一，其所制備的超、組織和性能均有大量的研究成果，將在后文中詳細(xì)介紹。扭轉(zhuǎn)

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前4條

1 王勝剛;龍康;;深度軋制技術(shù)制備的納米晶金屬板材應(yīng)用展望[J];新材料產(chǎn)業(yè);2015年10期

2 劉睿;孫康寧;畢見(jiàn)強(qiáng);;等徑角擠壓法制備塊體超細(xì)晶材料的研究現(xiàn)狀及展望[J];鍛壓技術(shù);2005年06期

3 李金山,曹海濤,胡銳,陳忠偉,耿興國(guó);等徑角擠壓法制備超細(xì)晶的研究現(xiàn)狀[J];特種鑄造及有色合金;2004年03期

4 王勝剛,龍康,龍期威;深度軋制細(xì)化工業(yè)純鐵晶粒[J];金屬學(xué)報(bào);2003年12期

本文編號(hào)：2795525