隨著現(xiàn)代制造業(yè)的快速發(fā)展,高性能材料一直是科研人員關(guān)注的焦點(diǎn)。Inconel 718合金是鎳基高溫合金中典型的代表之一,它是由主要強(qiáng)化相γ″-Ni₃Nb相和輔助強(qiáng)化相γ′-Ni₃（Al,Ti）相及基體相組成的時效強(qiáng)化型合金,因其具有良好的高溫使用性能、高溫抗氧化性及熱加工性能,被廣泛用于制作航空航天領(lǐng)域的熱端部件如渦輪、葉片等。Inconel 718合金用作熱端部件時工作條件惡劣,尤其是當(dāng)合金使用溫度超過650℃以上長期工作時,合金組織會發(fā)生失穩(wěn),造成合金高溫性能降低。作為合金化元素,Co本身具有良好的高溫性能,可以影響高溫合金的顯微組織穩(wěn)定性。在鎳基高溫合金中,Co原子的添加略降低了γ′相中Al、Ti在合金基體中的溶解度,但減少了碳化物的析出;同時Co還可以提高變形鎳基高溫合金的熱延性,提高合金組織的穩(wěn)定性并改善其熱加工性能;在某種程度上,也能降低Ni-Cr-Co固溶體的堆垛層錯能,抑制交叉滑移促進(jìn)合金的強(qiáng)化,提高合金的使用溫度。本文采用第一性原理理論計算與實驗研究相結(jié)合的方法,研究了Co摻雜對Inconel 718合金中γ相、γ′相、γ"... 

【文章來源】：蘭州理工大學(xué)甘肅省

【文章頁數(shù)】：78 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

γ相和γ′相的晶體結(jié)構(gòu)[27]

Co對Inconel718合金相穩(wěn)定性與性能影響的第一性原理和實驗研究4因而限制了Inconel718合金的使用溫度不能超過650～700℃。圖1.2γ"相的單胞結(jié)構(gòu)和(111)面的原子排列[27]δ相與γ"相非常相似，它作為γ"相的平衡相其成分也為Ni3Nb，不同的是δ相的微觀結(jié)構(gòu)是正交點(diǎn)陣的DOa結(jié)構(gòu)。通常δ相與γ基體間也存在位相關(guān)系：(200)γ//(100)δ和[011]γ//[001]δ，其單胞結(jié)構(gòu)和(010)面原子排列如圖1.3所示[28-29]。從圖中可以看出晶胞中有六個鎳原子，形成坐標(biāo)為：Ni(0,1/2,1/3)，(1/2,0,2/3)，(1/4,0,1/6)，(1/4,1/2,5/6)，(3/4,1/2,5/6)，以及兩個鈮原子構(gòu)成，形成坐標(biāo)為Nb(0,0,2/3)，(1/2,1/2,1/3)。一般合金中δ相的密排面(010)與強(qiáng)化相γ"相的密排面(112)具有相同的原子排列方式，不同的是各相密排面的堆垛方式，δ相的堆垛次序為：ABABABAB……。當(dāng)固溶溫度為900℃時富Nb的δ相在晶界或者孿晶上呈針片狀析出，當(dāng)溫度為980℃時δ相將會發(fā)生溶解，沿晶界呈短棒狀析出。在高溫合金中高硬度的δ相經(jīng)常會引起裂紋的出現(xiàn)，致使合金的塑性、韌性大幅度降低[30]。然而，有研究表明一定數(shù)量的δ相析出于晶界能夠有效阻止晶界滑移的數(shù)目，改善Inconel718合金的蠕變性能，因而δ相也具有它有利的一面。碳化物是Inconel718合金的間隙相，微觀結(jié)構(gòu)是以Bl型面心立方結(jié)構(gòu)。碳化物中的金屬原子以密排形式堆積，其中碳和氮原子的半徑小于金屬原子，因此分布在密排金屬原子的間隙中。碳化物的種類主要有MC型、M6C和M23C6型等。其中面心立方結(jié)構(gòu)的MC型碳化物最為常見，由于碳化物與基體呈非共格的關(guān)系，因此在晶界和晶內(nèi)呈粗大塊狀偏析產(chǎn)生，可有效抑制晶粒粗化。此外，這些碳化物還具有高熔點(diǎn)和高硬度、脆性大等特點(diǎn)。

碩士學(xué)位論文5圖1.3δ相的單位晶胞及(010)面原子排列1.2.2Inconel718合金中元素的作用為了提高Inconel718合金的高溫強(qiáng)度、力學(xué)性能及工作溫度等，目前研究趨勢是加入一些合金元素(如具有高熔點(diǎn)、原子半徑大等)。這些元素在合金中各自承擔(dān)不同的作用，如固溶強(qiáng)化、第二相強(qiáng)化、晶界強(qiáng)化等。因此，這些方法將會是強(qiáng)化高溫合金的主要手段。根據(jù)各元素在Inconel718合金中化學(xué)成分所占的比例，可以看出Ni、Fe、Cr元素含量最多。Ni的含量約占55wt%，是構(gòu)成γ基體的主要元素，形成穩(wěn)定的奧氏體組織。Ni的電子結(jié)構(gòu)決定了該元素本身有較強(qiáng)的固溶能力和合金化能力，這為改善合金性能提供了潛在的可能性。對于純Ni來說其硬度不高，但塑性卻極好，尤其在低溫下塑性基本不變，所以合金本身所具有的優(yōu)異性能與鎳基體的性能息息相關(guān)[31]；而Fe與Ni元素屬于同一周期，兩者的晶格常數(shù)僅相差3%，F(xiàn)e的含量約占18wt%。在某種程度上，F(xiàn)e能夠降低合金基體的堆垛層錯能，有利于達(dá)到固溶強(qiáng)化的效果；Cr元素主要固溶在γ基體中，它不僅提高了合金的耐腐蝕和抗氧化能力，還起到了固溶強(qiáng)化的效果。當(dāng)Cr的含量達(dá)到一定值，金屬材料表面會形成一層致密而連續(xù)的氧化膜(Cr2O3)，能夠有效的阻止S、O等元素的內(nèi)外擴(kuò)散。此外，少量的Cr與C結(jié)合形成MC型碳化物有強(qiáng)化晶界的作用，但Cr含量過高會形成σ相導(dǎo)致合金的組織穩(wěn)定降低。因此，Cr元素的含量必須控制在適當(dāng)范圍內(nèi)，才能獲得綜合性能優(yōu)異的鎳基高溫合金。Al、Ta和Ti是強(qiáng)化相γ′相主要的形成元素，將這三種元素適當(dāng)固溶入γ基體中，與Ni元素形成γ′-Ni3(Al、Ti、Ta)相，產(chǎn)生沉淀強(qiáng)化作用。若Ti含量逐漸增多會使共晶溶解困難，增加了合金固溶處理的難度，后期會削弱抗氧化和鑄造性能。通過調(diào)整Al和Ti的含量，可有效改變

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碩士論文
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本文編號：2950684