Ni-Mo-Cr高温合金组织稳定性的研究

发布时间：2020-04-10 08:05

【摘要】：镍基高温合金不仅具有优异的高温蠕变性能和抗疲劳特性,而且还有良好的抗高温氧化和抗腐蚀性能,被广泛应用在航空发动机的关键热端部件上。由于镍基高温合金通常含有多种难熔元素,在高温蠕变过程中这些难熔元素会促进拓扑密排(TCP)相的析出,因此,抑制TCP相和保持合金组织稳定性一直是提高高温合金性能的重要研究方向。由于实际合金中元素之间的相互作用十分复杂,本文简化合金成分,以Ni-Mo-Cr简单组元的(γ+TCP)两相合金取代复杂组元的(γ+γ′+TCP)三相合金作为研究对象,分别在800℃和900℃进行了不同时间的热暴露实验,研究该合金在热暴露实验过程中组织的演变过程,探寻TCP相的析出机制。本文得出的主要结论如下:1.Ni-Mo-Cr合金经过800℃不同时间热暴露实验后,有大量梭子状的Ni_2(Mo,Cr)相析出,长轴尺寸约为100~200 nm,短轴尺寸约为30~50 nm。Ni_2(Mo,Cr)相与基体γ相的界面保持完全共格关系,其结构可通过Mo原子或Cr原子占据3d(220)_γ晶面来表示。Ni_2(Mo,Cr)相中Mo元素存在轻度富集,随着热暴露时间的延长,Mo和Cr元素含量都轻微增大。Ni_2(Mo,Cr)超点阵相与基体γ相之间存在四种取向关系:[010]_(Ni2(Mo,Cr))//[001]γ,(002)_(Ni2(Mo,Cr))//(220)γ;[010]Ni_2(Mo,Cr)//[001]γ,(002)Ni_2(Mo,Cr)//(2(?)0)γ;[111]Ni_2(Mo,Cr)//[112]γ,(0(?)1)Ni_2(Mo,Cr)//((?)11)γ和[1(?)1]_(Ni2(Mo,Cr))//[112]_γ,(011)_(Ni2(Mo,Cr))//((?)3(?))_γ。在800℃/20 h的热暴露实验中,除了Ni_2(Mo,Cr)相外,还存在少量富Mo相和微量μ相。2.Ni-Mo-Cr合金在900℃热暴露实验中析出的TCP相均为μ相,且显著富含Mo元素而贫Cr元素。μ相与基体γ相之间存在[1(?)0]_μ//[110]_γ,(110)_μ//(200)_γ的取向关系。析出的μ相形貌多为棒状和块状,同时有少量μ相以枝状形貌出现。部分μ相的内部存在着大量的面缺陷,μ相的生长可能通过不断增加面缺陷的数量来实现。
【图文】：

镍基高温合金

随着航空航天技术的飞速发展，高温合金的应用也越来越广泛。合金主要应用于航空发动机和燃气涡轮机的四大热端部件：导向器、涡轮盘以及燃烧室[3,4]。高温合金是指能同时承受 600℃以上高温和较大复杂应力的一种组和合金化高的镍基、铁基和钴基奥氏体金属材料。高温合金普遍含有素，具有优异的高温强度以及良好的抗疲劳、抗氧化、抗热腐蚀性能称为超合金（superalloy）[5-7]。镍基高温合金与铁基高温合金和钴基比具有以下优势，如：能在更高温度和应力下工作，服役过程中组织相析出较少，抗氧化、抗热腐蚀能力强及较高的抗蠕变性能等[8]。镍的这些优异特性使之成为一种绝佳的高温结构材料，被广泛应用。镍基高温合金的发展历程如图 1-1 所示。该图表明，镍基高温合金自共经历了四个不同发展阶段，分别是：通过加工硬化提高强度的变形组织主要为等轴晶的铸造高温合金[7,9]；通过定向凝固技术去除微弱铸造高温合金[10]和在定向凝固技术上通过选晶法彻底消除晶界的单。

高温合金,合金组织,γ′相

图 1-2 高温合金中的合金组织[20]Fig.1-2 The microstructure of nickel-based single crystal superalloys[20].γ 相是面心立方结构的镍的固溶体，占合金总体积分数的 30%~40% 1-3(a)所示。在实际合金中 Mo、W、Re、Co 和 Cr 等元素在 γ 相中高。γ′相是一种有序的金属间化合物，在镍基高温合金中起主要强化积分数占合金总体积分数的 60%~70%，主要成分为 Ni3Al，它的晶体构，由面心立方结构衍生而来。Ni3Al 的单胞中有 4 个原子，其中处于晶胞的 6 个面心位置，1 个 Al 原子占据了晶胞的 8 个顶点位置)所示。常见的 γ′相形成元素为 Al、Ta、Nb、Ti 和 Hf 等。γ′相与 γ 数差别很小，两相的错配度小，因此 γ′相沿着 γ 基体的(001)面共格析
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V252;TG132.3

【参考文献】