表面与晶界对含Re单晶高温合金胞状组织转变的影响机理
发布时间：2020-03-22 22:20
【摘要】：先进航空发动机的镍基单晶高温合金涡轮叶片中小角度晶界和叶片制造过程中的表面处理不当,会使叶片在服役过程中诱发胞状组织转变,严重时甚至会导致机毁人亡的危险。因此,有必要开展表面加工和晶界组态对镍基单晶高温合金胞状组织转变影响因素和演变规律的研究。本文以含Re镍基单晶高温合金SXG3(第三代)和CMSX-4(第二代)为研究对象,通过对单晶高温合金进行表面加工和保温热处理,研究其表面胞状晶团对高温持久寿命的影响规律,探索并阐释单晶塑性变形的各向异性和表面胞状组织转变的各向异性之间的关系。通过探索连接具有不同取向的含Re镍基单晶高温合金的方法,制备出具有指定晶界组态(包括旋转轴、基准面和取向差)的双晶合金,定量的研究晶界组态对双晶合金晶界胞状组织转变的影响规律。为了研究不同强度的表面加工对SXG3单晶合金薄板样品高温持久性能的影响,通过0.3 MPa/1 min和0.5 MPa/2 min的吹砂处理使SXG3单晶合金薄板在1100 ℃/200h真空热处理过程中发生表面胞状组织转变,分别形成厚度为18和49 μm胞状晶团,占据了 2.5X 1.5 mm薄板样品横截面的4%和11%。在980 ℃/250 MPa条件下,上述样品的持久寿命分别下降了近30%和70%。裂纹沿胞状晶团的胞界萌生和扩展;胞状晶团越厚,裂纹向基体扩展的越深。为了探索表面加工对单晶高温合金表面塑性变形和表面胞状组织转变的影响,采用加工强度较高的粗车+吹砂加工后,(001)面的表面塑性变形层厚度在[110]晶向处最大,在[010]晶向处最小,且呈现周期性变化:而经与叶片实际生产中工艺参数相接近的吹砂加工后,(001)面的表面塑性变形层厚度较低且各向异性不显著。经1100 ℃/200h保温热处理后,采用两种工艺加工的单晶样品表面胞状晶团厚度的各向异性与该单晶相同晶向处表面塑性变形层厚度及变化规律近似一致,说明其厚度的各向异性取决于临界塑性变形量。通过调整单晶取向并分别采用过渡液相(TLP)法和自扩散法连接单晶合金,可分别制备CMSX-4和SXG3合金晶界组态可控的双晶合金。单晶连接过程在1290 ℃/10-3Pa的条件下进行,保温时间为12-24h。TLP法连接铸态CMSX-4合金的过程中同步完成了合金的固溶处理。其中,自扩散连接工艺制备的晶界没有新相析出,是晶界组态可控双晶合金的理想制备方法。晶界组态对含Re镍基双晶合金晶界处胞状组织转变影响的研究表明:SXG3双晶合金[001]倾转晶界在1100 ℃发生胞状组织转变的临界取向差区间为20～25°:当晶界取向差≤20°时,晶界处形成一条γ相膜并析出粒状R相;当晶界取向差多25°时,晶界处形成胞状晶团。当[001]倾转晶界的基准面不同时,晶界胞状晶团生长方向存在差异。当晶界以(010)为基准面时,胞状晶团主要向[010]单侧方向生长;而当晶界以(110)为基准面时,胞状晶团以近似均等的几率向晶界两侧生长。晶界胞状晶团生长方向的差异主要取决于不同的晶面迁移率。950～1100 ℃保温热处理后,不同取向差和基准面的[001]倾转晶界胞状晶团厚度相似,表明胞状晶团的生长速率与晶界取向差和晶界基准面无关。在950～1100 ℃下,胞状组织转变的表观扩散系数与同温度下Re和W在Ni中的扩散系数相近;SXG3合金[001]倾转晶界胞状组织转变的表观激活能为260 kJ/mol。经1100 ℃保温热处理后,胞状组织转变仅在SXG3双晶合金的晶界处发生,而不在CMSX-4双晶合金的晶界处发生。CMSX-4和SXG3异种双晶合金晶界处合金元素的自扩散降低了晶界附近SXG3合金的Re元素过饱和度,使异种双晶合金晶界胞状晶团在保温200 h后的生长受到阻碍。本文研究为含Re镍基单晶高温合金表面加工工艺的制定以及叶片材料的成分优化提供了依据;为含小角度晶界的单晶叶片检验标准的制定提供物理冶金依据,也可对未来单晶组合式叶片连接界面的稳定性提供评估依据:并对研发具有高组织稳定性的单晶高温合金具有理论指导意义。
【图文】：
燃气轮机热端部件的关键材料。镍基高温合金的高温组织稳定性高于铁基和逡逑－钴基高温合金，使其能在更高的温度、更大的应力下服役。因此，，镍基高温逡逑合金成为先进航空发动机热端部件的首选材料。图２－１是Ｒｏｌｌｓ邋Ｒｏｙｃｅ邋Ｔｒｅｎｔ发逡逑动机的示意图及其各部件使用材料分布图１３３１。镍基高温合金在不同的类型的逡逑航空发动机中得到广泛应用，通常占整个航空发动机总重的４０？５０％【３４】。逡逑：：逡逑—邋邋／逦＼邋—逡逑商压ａ气机离压涡轮逦0邋Ａｌｕｍｉｎｕｍ逡逑S缅澹茫铮恚穑铮螅椋簦邋义希ǎ幔╁危ǎ猓╁义贤迹玻遥铮欤欤箦澹遥铮悖邋澹裕颍澹睿舴⒍疽馔技捌涓鞑考褂貌牧戏植纪煎义希ǎ幔┓⒍疽馔迹唬ǎ猓┓⒍鞑考褂貌牧戏植纪煎义显诤娇辗⒍校新纸呶氯计哪芰孔晃新中幕的懿⒋义隙缟群脱蛊狗⒍屏ΑＱ绣潮砻鳎喝计奈新纸谖露儒义厦刻岣撸担
本文编号：2595710
【图文】：
燃气轮机热端部件的关键材料。镍基高温合金的高温组织稳定性高于铁基和逡逑－钴基高温合金，使其能在更高的温度、更大的应力下服役。因此，，镍基高温逡逑合金成为先进航空发动机热端部件的首选材料。图２－１是Ｒｏｌｌｓ邋Ｒｏｙｃｅ邋Ｔｒｅｎｔ发逡逑动机的示意图及其各部件使用材料分布图１３３１。镍基高温合金在不同的类型的逡逑航空发动机中得到广泛应用，通常占整个航空发动机总重的４０？５０％【３４】。逡逑：：逡逑—邋邋／逦＼邋—逡逑商压ａ气机离压涡轮逦0邋Ａｌｕｍｉｎｕｍ逡逑S缅澹茫铮恚穑铮螅椋簦邋义希ǎ幔╁危ǎ猓╁义贤迹玻遥铮欤欤箦澹遥铮悖邋澹裕颍澹睿舴⒍疽馔技捌涓鞑考褂貌牧戏植纪煎义希ǎ幔┓⒍疽馔迹唬ǎ猓┓⒍鞑考褂貌牧戏植纪煎义显诤娇辗⒍校新纸呶氯计哪芰孔晃新中幕的懿⒋义隙缟群脱蛊狗⒍屏ΑＱ绣潮砻鳎喝计奈新纸谖露儒义厦刻岣撸担
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