内燃机排气阀用镍基合金组织性能及抗氧化性能研究

发布时间：2020-07-06 08:00

【摘要】：内燃机广泛应用于国民经济中的多种领域,包括各类机械、车辆和舰船主机,提高内燃机燃烧室工作温度可有效提高燃油利用效率并降低CO_2排放。显著提高的工作温度对材料耐高温腐蚀性能、高温强度、耐磨性和高温组织稳定性等提出更加苛刻的要求。本研究选择一种新型Ni-Cr-Fe变形镍基高温合金作为内燃机排气阀用材料,镍基合金具有优良的耐腐蚀性和组织稳定性,在高温技术邻域有着最为广泛的应用。本文采用金相显微镜(OM)、场发射扫描电镜(FE-SEM)、X射线衍射仪(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、高分辨电子显微镜(HRTEM)及JMatPro热力学计算软件等研究了该型镍基高温合金的固溶-时效热处理制度、750°C长期热暴露组织稳定性及高温氧化行为等,研究显微组织特征与宏观力学性能间的内在联系。T_1、T_2、T_3和T_4四种热处理制度下,γ′相均呈球状均匀分布,平均尺寸分别为50.18 nm、15.04 nm、23.59 nm、49.10nm,高温时效+低温时效(850°C×4h+730°C×4h)双级制度可显著提高γ′相尺寸。L1_2有序结构的γ′相和γ基体在{100}和{110}原子面上保持共格位向关系,相界面晶格条纹连续过渡。基体中存在MC(富Nb、Ti)和M_(23)C_6(富Cr、Mo)两种类型碳化物,固溶态样品室温断口裂纹穿晶扩展,热处理态样品断口裂纹沿晶界位置扩展,断口表面韧窝尺寸显著减小,同时延伸率保持20%以上。750°C长时间保温过程中,γ′相的粗化过程符合LSW理论,长大过程受溶质原子在γ基体中的扩散控制,小颗粒周围基体与大颗粒周围基体的γ′相形成元素浓度梯度是γ′相长大过程驱动力。α-Cr平衡相析出将改变基体中的溶质原子浓度,改变γ′相粗化速率,γ′相形态受其表面能和弹性应变能竞争控制,晶内区域保持球状、表面最低,MC型碳化物和α-Cr相表面,γ′相沿二维方向铺展成圆盘状以降低弹性应变能。α-Cr相与其表面铺展的γ′相形成“三明治”形态结构,750°C-2000h以后α-Cr相显著析出导致合金室温塑性显著降低,α-Cr相呈网状分布在断口晶粒表面,断面平整、基本无韧窝分布。750°C长时间氧化过程中,氧化增重过程表现为分段式特征,2000h以后氧化增重速率呈上升趋势,α-Cr相析出并改变基体溶质原子浓度,特别是Cr元素近表层的浓度分布梯度,可能提高氧化增重速率,外层氧化物由Cr_2O_3和TiO_2组成,稀土元素Y的添加可改善外层氧化物致密度,降低O元素内扩散速率,减小内氧化层厚度,氧化层增厚速率减慢。900°C-300h氧化过程中,氧化层未发生剥落,随着时间延长,最外层氧化膜中的TiO_2较Cr_2O_3的相对含量增加。1000°C氧化过程中,Cr_2O_3进一步氧化蒸发,表层氧化物变得疏松,在冷却过程发生表层氧化物剥落现象,Y元素的添加可显著降低其氧化速率,内层氧化物由Al_2O_3和TiO_2组成,前者在氧分压极低情况下优先形成,并沿晶界位置向内部延伸。综上所述,对该型镍基高温合金的显微组织、物相转变过程及高温氧化行为进行了较为详细研究,可为合金组织性能的进一步优化理论依据,包括延缓γ′相粗化、减少α-Cr相析出及改善氧化膜热稳定性等。
【学位授予单位】：江苏科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK401;TG146.15

【参考文献】