金属材料纳米析出相的早期析出行为研究

发布时间：2018-03-20 07:38

本文选题：Super304H　切入点：富Cu相　出处：《北京科技大学》2015年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：本文利用先进电子显微学手段,在原子尺度上研究了Super304H奥氏体热强钢和C-22HS新型高温耐腐蚀合金的微观组织、晶体结构和强化特征。详细分析了富Cu相在Super304H奥氏体热强钢中以及Ni2(Cr,Mo)相在C-22HS高温耐蚀合金中的早期析出行为。 Super304H奥氏体热强钢最大的特色是添加了3wt%的Cu,高温服役过程中由于钢中含有大量的Cr、Ni元素使其具有良好的抗氧化腐蚀性能,长时时效过程中富Cu相的析出使其具有较高的持久强度。细小、弥散分布的富Cu相在高温长时时效(10000h)以后能够保持在纳米级是Super304H奥氏体热强钢具有良好的综合性能的原因。所以,深入的研究富Cu相的早期析出行为、生长机制以及强化机制是至关重要的。研究结果表明：时效过程中,Cu原子不断地在时效早期生成的富Cu相中聚集,而Fe、Cr、Ni原子逐渐被排斥,最终形成高纯度的富Cu相。本文首次针对多元系统进行了析出相长大机制的研究,影响富Cu相长大速率主要是界面能以及Cu在奥氏体中的扩散系数,通过奥斯特瓦尔德熟化理论计算得到了富Cu相与基体的界面能为0.017～0.086J/m2,而界面能是控制析出相长大的驱动力,同时Cu在奥氏体中的扩散系数较大,促进系统更快的达到平衡态,所以导致富Cu相长大速率缓慢。细小、弥散分布的富Cu相始终与基体保持着良好的共格关系,根据时效过程中微观结构的变化,富Cu相的强化效应来自于共格应变强化和化学强化。并通过理论计算表明强化机制主要来自于共格应变强化。 C-22HS是一种新型Ni-Cr-Mo超级合金,能够通过一种专利的双时效热处理机制析出Ni2(Cr,Mo)超点阵结构,使其在保持原有的优异耐腐性能的同时大幅度的提高了合金的强度。在专利的双时效热处理条件下,纳米级的Ni2(Cr,Mo)析出的时间更短,同时弥散地分布在晶内是强度提高的原因。相比与其他Ni基合金,Ni2(Cr,Mo)相的析出机制并不是从短程有序到长程有序的过程。所以,深入的研究Ni2(Cr,Mo)的析出机制是非常必要的。研究结果表明：共格的Ni2(Cr,Mo)相与基体Ni代表性的一种取向关系为：[001]Ni//[010]Ni2(Cr,Mo)、(200)Ni//(103)Ni2(Cr,Mo)。Ni-21Cr-17Mo合金在第一阶段时效淬火后基体的[112]带轴下的衍射花样中沿(311)Ni面上出现了漫散射条纹,结合高空间高分辨率能谱分析发现了Mo原子的微偏聚区。从动力学的角度来看,早期时效过程中Mo原子的偏聚行为和后来的长程有序的Ni2(Cr,Mo)超晶格的形成有助于降低系统的熵以及吉布斯自由能,能够促进Ni2(Cr,Mo)相的析出达到强化合金的目的。随着705℃第一阶段的时效过程的开始,每两个{311}Ni-base面的Mo原子的纳米富集开始形成,而最终形成在605℃第二阶段时效过程中每三个{311}Ni-base面的(Cr和Mo元素共有)的Ni2(Cr,Mo)超晶格。在705℃第一阶段的时效过程中的Mo原子的纳米聚集行为是为了提高Ni2Cr的相转变温度,也就是说要达到605℃甚至更高。随着605℃第二阶段的时效过程开始,Ni2Cr开始形成且随着持续的长程扩散导致的Mo元素的富集而最终形成每三个{311}Ni-base面(Cr和Mo元素共有)的Ni2(Cr,Mo)超晶格。在Ni2(Cr,Mo)在双时效热处理的析出过程中,由于亚稳的Ni2Cro.5Mo0.5的出现形成了在能量分布曲线中的一个局部最大值,导致Ni2Cr0.67Mo0.33的稳定性的提高。同时计算了Ni2Cr1-xMox超晶格的单晶弹性常数,结果表明：所有的Ni2Cr1-xMox相都是机械稳定的。但是,Ni2Cr0.5Mo0.5相的强度和化学键的定向性是反常下降的,同样也说明了其能量的不稳定。计算的结果再一次表明了Ni2(Cr,Mo)中Mo的微富集区的存在,与实验结果非常吻合。
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【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB383.1;TG113.1

【参考文献】