鎳基高溫合金所含合金元素眾多,成分控制難度大,為了保證高溫長期服役時(shí)的性能要求,對合金中的微量雜質(zhì)元素含量及夾雜的控制也有嚴(yán)格的要求。目前國內(nèi)高溫合金多采用雙聯(lián)或三聯(lián)的熔煉工藝制備,但仍存在微量雜質(zhì)含量高、合金元素偏析大、流程長等問題。電子束精煉是利用高能量密度的電子束轟擊材料的表面使其熔化并提純的工藝,由于突破了傳統(tǒng)冶金過程中液固界面處雜質(zhì)元素遷移驅(qū)動力減弱的問題,其在雜質(zhì)元素和夾雜物的去除方面有著獨(dú)到的優(yōu)勢,可實(shí)現(xiàn)超純凈、低偏析高溫合金的制備。然而,電子束精煉制備高溫合金的一些基本問題還未徹底解決,如伴隨著雜質(zhì)元素及非金屬夾雜物的去除,合金元素也存在不同程度的揮發(fā)損失,此外,制備得到的高純高溫合金的組織特點(diǎn)及其與性能之間的關(guān)系尚未明確。這些問題的明晰有利于實(shí)現(xiàn)高溫合金的組織控制從而提高其使用性能,對電子束精煉高溫合金的產(chǎn)業(yè)化具有重要意義。本研究從Inconel 718合金的電子束高純化制備出發(fā),研究電子束精煉過程中元素的揮發(fā)行為,根據(jù)各元素的揮發(fā)損失規(guī)律指導(dǎo)電子束的精煉,以實(shí)現(xiàn)合金成分的精確控制。同時(shí),探討電子束精煉制備的Inconel 718(EBS 718)合金不同熱處理狀態(tài)下的組織特點(diǎn)及力學(xué)性能,以建立組織及析出行為與力學(xué)性能的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上,討論EBS 718合金中γ'/γ''析出相的強(qiáng)化機(jī)制,獲得合金析出行為與強(qiáng)化效果的定量關(guān)系,為優(yōu)化EBS 718合金組織及力學(xué)性能提供理論支撐。此外,對EBS 718合金抗腐蝕性能進(jìn)行分析,探索影響EBS 718合金電化學(xué)腐蝕性能的關(guān)鍵因素。研究結(jié)果表明,利用Miedema模型計(jì)算Inconel 718合金中Fe、Ni及Cr元素的活度及活度系數(shù)是可行的,并由實(shí)際揮發(fā)速率與理論揮發(fā)速率的關(guān)系計(jì)算得到Al元素活度系數(shù)補(bǔ)償因子ωA1的大小為0.0023。隨著精煉溫度及精煉時(shí)間的增加,Ni、Ti、Nb、Mo、Fe元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)有所增加,而Cr元素與Al元素的含量有所降低,隨著母材質(zhì)量的增加,Ni、Nb、Mo、Ti、Fe元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)先降低而后保持穩(wěn)定,而Cr、Al元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)則先增加后保持穩(wěn)定。經(jīng)過工藝參數(shù)優(yōu)化后,合金成分能夠?qū)崿F(xiàn)精確控制,其中最易揮發(fā)的Cr及Al元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅降低0.42%及0.01%。EBS 718合金鑄態(tài)組織中的二次枝晶間距約為28 μm,其凝固末期的冷卻速率約為279.2 ℃/min。經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)熱處理后,合金中主要析出相為12～15 nm大小的片狀γ''相,其中γ"與γ'析出相含量的比值為2.92。隨著固溶溫度的增加,EBS 718合金中δ相含量呈指數(shù)規(guī)律降低,較低的固溶溫度有利于γ丫'相的析出,而較高的固溶溫度有利于γ'相的析出;當(dāng)固溶溫度為1150 ℃時(shí),γ'均勻分布在基體中,其粒徑約為8.43 nm,此時(shí)析出相與基體具有最小的錯配度。EBS 718合金經(jīng)過鍛造處理后,在基體中彌散分布著細(xì)小的(Nb,Ti)C碳化物,基體中δ相基本消失。經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)固溶處理后,合金發(fā)生了再結(jié)晶及晶粒生長,時(shí)效處理后晶界棒狀δ相尺寸約為1.5 μm。隨著固溶溫度的升高,鍛造的EBS 718合金晶粒尺寸增加,而沿晶界分布的δ相減少,當(dāng)固溶溫度高于980 ℃時(shí),只觀察到彌散分布的MC碳化物。EBS 718合金標(biāo)準(zhǔn)熱處理后的維氏硬度約為418(HV0.1),壓縮強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度分別為1169.5 MPa及981.9 MPa,其在680 ℃/500 MPa下的蠕變壽命為327.3 h,最小蠕變速率為3.90×10-5/h;隨著固溶溫度的升高,時(shí)效態(tài)EBS718合金的維氏硬度、抗拉強(qiáng)度及壓縮強(qiáng)度均有所增加。蠕變結(jié)果表明,1150 ℃固溶并時(shí)效后的EBS 718合金相對于標(biāo)準(zhǔn)熱處理的合金具有更低的穩(wěn)態(tài)蠕變速率及較高的蠕變抗力;鍛造的EBS 718合金標(biāo)準(zhǔn)熱處理后,其維氏硬度值為458(HV0.1),壓縮強(qiáng)度為1434.6 MPa,高于傳統(tǒng)細(xì)晶鍛造Inconel 718合金,其在680 ℃/500 MPa下的蠕變壽命為1266.2 h,為傳統(tǒng)鍛造Inconel 718合金的2.71倍,其最小蠕變速率約為7.50×10-7/h,約為傳統(tǒng)鍛造Inconel 718合金的1/20,表現(xiàn)出優(yōu)異的抗蠕變性能;隨固溶溫度的增加,時(shí)效態(tài)合金的壓縮強(qiáng)度及維氏硬度逐漸降低,對于高溫壓縮具有相似的規(guī)律。當(dāng)固溶溫度為1150 ℃時(shí),鍛造的EBS 718合金的蠕變壽命及最小蠕變速率分別為798.3 h及1.78×10-6,蠕變性能低于鍛后標(biāo)準(zhǔn)熱處理的EBS 718合金,但優(yōu)于傳統(tǒng)鍛造Inconel 718合金。EBS 718合金中γ'析出相的主要強(qiáng)化機(jī)制為堆垛層錯強(qiáng)化,對于γ''析出相,模量強(qiáng)化及有序強(qiáng)化為主要的強(qiáng)化機(jī)制。EBS 718合金的強(qiáng)化效果由γ"及γ'析出強(qiáng)化共同組成,由析出強(qiáng)化引起的臨界剪切應(yīng)力可表示為γ''及γ'析出行為相關(guān)的函數(shù),其中γ''及γ'析出強(qiáng)化指數(shù)因子q的值分別為1.9及1.8。理論計(jì)算的臨界剪切應(yīng)力與屈服強(qiáng)度及維氏硬度保持線性關(guān)系,γ''及γ'雙相強(qiáng)化模型能夠較好地預(yù)測EBS 718合金的析出強(qiáng)化效果。EBS 718合金相對于傳統(tǒng)的Inconel 718合金具有較高的自腐蝕電位和較低的自腐蝕電流密度,表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)腐蝕性能。EBS 718合金的點(diǎn)蝕電位隨著固溶溫度的增加而增加,固溶溫度對電化學(xué)極化行為的影響主要表現(xiàn)為δ相的尺寸及體積分?jǐn)?shù)隨著固溶溫度的增加而逐漸降低,因此降低了點(diǎn)蝕初始區(qū)的密度。時(shí)效處理后,合金中析出了γ及γ''相,初始點(diǎn)蝕區(qū)密度增加的同時(shí)富Nb的γ"相引起的晶格錯配導(dǎo)致合金的抗腐蝕性能降低。當(dāng)固溶溫度為1150 ℃時(shí),時(shí)效態(tài)合金中均勻分布著尺寸約為10 nm的γ'相,合金的電化學(xué)活化激活能為52.86 kJ/mol,表現(xiàn)出較高的電化學(xué)腐蝕抗力。
【學(xué)位單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TF815
【部分圖文】：

圖１．１某型航空發(fā)動機(jī)主要組成示意圖??Ｆｉｇ．?１．１?Ｔｈｅ?ｓｋｅｔｃｈ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｍａｉｎ?ｃｏｍｐｏｅｎｅｎｔｓ?ｉｎ?ｏｎｅ?ｔｙｐｅ?ｏｆ?ａｅｒｏ－ｅｎｇｉｎｅ??工業(yè)中，高溫合金主要用于制作反應(yīng)堆蒸汽發(fā)生器傳熱管、元件格架及高溫氣冷堆和部分快堆的過熱器與再熱器傳熱管等零部件，其中Ｉｎｃｏ

Ｉｎｃｏｎｅｌ?７１８合金中元素眾多，合金化程度高，其主要的析出相為體心四方Ｄ０２２型??的Ｙ＇＇相、面心立方結(jié)構(gòu)的Ｌｌ２型Ｙ＇相以及正交有序的Ｓ－Ｎｉ３Ｎｂ相。Ｉｎｃｏｎｅｌ?７１８合金中Ｙ＇??相、Ｙ＇＇相及Ｓ相的晶體結(jié)構(gòu)以及密排面的示意圖如下圖１．２所示，ｙ＇－Ｎｉ３Ａｌ相具有面心??立方有序結(jié)構(gòu)，其中Ｎｉ原子位于面心位置，Ａｌ／Ｎｂ原子位于晶格頂點(diǎn)，而Ｙ＇＇－Ｎｉ３Ｎｂ及??Ｓ相中Ｎｂ原子占據(jù)頂角和體心位置，其它位置由Ｎｉ原子占據(jù)。??｜〇〇１｜??ｆ?１－１〇？］??丨：，，參丨?＿丨??［１００１?［１０－１１?（１００｜?ｌＩ１＿２Ｉ??Ｙ、晶格及密排面?卜ｌ－ｌ〇｜?ｆ?ＨＨ格及洗排面??／?１??口００丨?Ｃ＇?—Ｎｉ?ｍ?—ＡＩ／Ｎｂ?［１〇〇｜?細(xì)日６！格及密排面??圖１．２?Ｙ＇、ｆ及Ｓ相的晶體結(jié)構(gòu)及密排面??Ｆｉｇ．?１．２?Ｔｈｅ?ｃｒｙｓｔａｌ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ａｎｄ?ｃｌｏｓｅ－ｐａｃｋｅｄ?ｐｌａｎｅｓ?ｆｏｒ?ｙ＼?ｙ＇＇?ａｎｄ?５?ｐｈａｓｅ??－３－??

?電子束精煉制備Ｉｎｃｏｎｅｌ?７１８合金及其性能研究???如公式（１）?￣?（６）所示，對于Ｙ＇＇析出相，由于其形貌與Ｙ＇析出相有所差異，故其引起??的臨界應(yīng)力的大小與Ｙ＇析出相有所差異，相關(guān)的內(nèi)容將在文中的第五章節(jié)進(jìn)行討論。研??究表明，通過調(diào)節(jié)Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｂ的含量及比例可以改變Ｉｎｃｏｎｅｌ?７１８合金中析出相的體積??分?jǐn)?shù)及穩(wěn)定性，如增加Ｔｉ和ＡＩ的含量可以提高Ｙ＇／Ｙ＇＇析出相的溶解溫度及體積分?jǐn)?shù)，??而當(dāng)Ｎｂ含量增加時(shí)，Ｓ相的體積分?jǐn)?shù)略有增加。隨著Ａ１含量的增加，晶界的針狀５相??逐漸向顆粒狀轉(zhuǎn)變，析出相的形貌也會出現(xiàn)“三明治”以及“包覆結(jié)構(gòu)”，因此，Ａ１??含量的增加是提高Ｉｎｃｏｎｅｌ?７１８合金使用溫度的有效途徑［３，２Ｇ］；鋼鐵研宄總院通過增加??Ｉｎｃｏｎｅｌ?７１８合金中Ａ１元素的含量并降低Ｎｂ元素的含量，并加入Ｗ元素合金化，使得??合金的高溫拉伸及持久性能大幅提升，這是由于Ｙ＇／Ｙ＇＇析出相長大速率降低、穩(wěn)定性提??高，同時(shí)Ｙ＇體積分?jǐn)?shù)增加，并且在晶界析出Ｍ６Ｃ型碳化物所導(dǎo)致的［２，２１］；謝錫善等在??Ｉｎｃｏｎｅｌ?７１８合金的基礎(chǔ)上通過增加Ａ１及Ｔｉ的含量以及Ａｌ／Ｔｉ比，同時(shí)使用Ｗ及Ｃｏ代??替Ｆｅ，得到了新型丫＇析出強(qiáng)化合金Ａｌｌｖａｃ７１８Ｐｌｕｓ，該合金具有優(yōu)異的使用性能［１２’２２］。??折出強(qiáng)化機(jī)制??
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2840698