Co-Al-W新型钴基高温合金高温性能及蠕变机理研究

发布时间：2020-06-13 06:16

【摘要】：L12强化型钴基高温合金的发现为航空航天发动机涡轮叶片的高温性能研究开辟了新的方向。Co-Al-W三元系新型钴基高温合金微观组织与γ/γ'型镍基高温合相似,但熔点更高,因此在提高合金服役温度方面具有更大潜力。然而,目前对Co-A1-W钴基高温合金中γ'强化相的热稳定性、合金的抗氧化性能及蠕变性能等的研究还不够充分,关于高温变形机制的理论也尚未成熟,这些问题的解决对新型钴基高温合金的发展至关重要。由于长期在高温环境下工作,高温合金中γ'强化相的热稳定性以及合金抗氧化性能至关重要。本文研究了三种W含量不同的Co-9Al-xW-0.lB(x=8,9,1 1)钴基高温合金在900℃分别时效200、500、1000、2000、5000和10000h后γ'相的热稳定性。利用扫描电子显微镜和透射电子显微镜观察了γ'相的形貌变化、体积分数变化、尺寸变化规律,发现随时效时间延长γ'相的体积分数减小,粗化规律大致符合LSW理论。利用背散射电子衍射和X射线衍射鉴定了γ-Co相、γ'-Co3(Al,W)相、D019-Co3W相和B2-CoAl相的平衡,γ'相在900℃为亚稳定相,会分解为D019相。结合透射电子显微镜从原子尺度阐释了 L12→D019相的微观相变机理,1/6112{111}型位错和{111}面堆垛层错为相变的必要途径。研究了 Co-Al-W-O.lB钴基高温合金在900℃分别热暴露1000、5000和10000h后的抗氧化性能。利用扫描电子显微镜结合X射线能量散射谱和X射线衍射分析了氧化层的构成,从内到外依次为A1203、混合氧化层、CoO,在合金基体外侧出现Co3W/γ区域。利用扫描电子显微镜观察各氧化层的形貌、厚度增长规律及结构演变规律,发现合金中W含量的提高可以增强γ'相的热稳定性,并改善合金高温抗氧化性能。涡轮叶片在工作时通常还受到较小的应力,合金的蠕变性能是衡量高温合金优劣的重要指标。单晶可显著消除晶界对高温强度、抗氧化性等的损害,本文利用定向凝固方法结合螺旋选晶法制备了不同W含量的三种单晶Co-9Al-xW(x=8,9,11)钴基高温合金。单晶合金的压缩蠕变实验在850℃,460MPa进行,W含量的增加可以提高合金的高温强度,但W含量过高会使合金在压缩蠕变中较早发生失效。利用透射电子显微镜观察对比了三种合金的蠕变组织,发现W含量较低的合金中位错密度最大,堆垛层错密度最小,W含量的提高增加了γ'相被1/3112位错对切割的几率,弱化了γ相通道中1/2110位错的运动。在扫描电子显微镜下观察了单晶钴基高温合金压缩蠕变过程中不同时期γ相通道和γ'沉淀相的形貌演变规律,γ'沉淀相在沿着垂直于压缩应力的方向筏化。对筏化的γ'相长度及增宽的γ相通道宽度进行量化,结果表明γ'相的筏化从瞬时应变速率达到最小值时开始。利用透射电子显微镜观察了蠕变过程中不同时期位错和堆垛层错等缺陷的演变规律,在与应力轴垂直的γ相基体通道有剧烈的1/2110{111}型位错运动现象,而在平行于应力轴的γ相基体通道中几乎没有观察到位错,这与不同方向应力水平差异有关;堆垛层错是由1/3112位错对切割γ'沉淀相形成的。γ'沉淀相颗粒的筏化总是从角落堆垛层错密度较高的位置开始融合的,这些堆垛层错为筏化过程中的原子定向扩散提供了通道,筏化的驱动力为γ相基体通道中的1/2110{111}位错网释放的γ/γ'两相界面的晶格错配应力。在高温合金蠕变过程中,γ/γ'两相晶格错配度的符号及大小均对塑性变形行为有严重的影响。本文利用同步加速辐射高能X射线衍射同位检测了三种钴基高温合金从20℃加热到1000℃的过程中的γ/γ'两相晶格常数及界面晶格错配度的演变规律。结果表明γ/γ'两相晶格常数在低温范围内同步稳定增长,此时晶格错配度大致保持不变,这与两相热膨胀系数之差有关;高温范围内γ相的晶格常数加速增大,此时晶格错配度的急剧下降与γ'相的分解和原子扩散有关,但总是保持正值。通过对Co-9Al-8W单晶钴基高温合金在850℃和400MPa条件下压缩蠕变过程中高能X射线衍射同位检测的单晶衍射斑的标定分析和对衍射峰的拟合分离,得到了γ/γ'两相晶格常数和界面晶格错配度的变化规律。由于水平γ/γ'两相界面共格应力被γ相基体通道中位错释放,与应力轴垂直方向的γ'相晶格常数明显增大,此方向的晶格错配度也随之明显增大,而与应力轴平行方向的晶格常数与晶格错配度均为发生明显的变化。
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高温合金

图 1-1 高温合金的性能演变[20]Fig.1-1 Properties evolution of superalloys[20]温合金发展从二十世纪五十年代起步，在前苏联专家合金工艺，先后制造出 GH4033、GH2036、GH3030、的高温合金。为了摆脱前苏联的技术封锁，我国开始出 GH2135、GH2302、GH1140 等系列铁镍基高温合金o 资源的困难。随着欧美先进技术、检测手段及大型真引进，我国利用不同的制造方法开发出一系列新的高造合金、定向凝固合金以及单晶合金，其高温性能基产水平。九十年代以后，高温合金的制造工艺不断进不断涌现，涡轮盘粉末高温合金 FGH4095、FGH4096 弥散强化的高温合金 MGH4754、FGH2756 可应用于高温合金 DZ4125、DZ604M 和单晶高温合金 DD402、80~1100°C；耐热耐腐蚀、可锻可铸的高 Cr 合金 GH4出优异的性能[21]。近年来，，高温合金的发展主要体现

形貌,镍基高温合金,单胞,晶体结构

图 1-2 镍基高温合金的晶体结构单胞：(a) Ni- ；(b) Ni3Al-1-2 The lattice structure of Ni-base superalloys: (a) Ni- ; (b) N温合金中，和相具有{100} ||{100} 、<100> ||<1001>方向作为公共晶面法向。和两相晶格常数相差不两相晶格错配度定义为δ = 2( )/( )，它关键性的作用。在大部分镍基高温合金中，相的错配度 <0。溶质在和两相中的分配是影响晶格素原子半径与基体元素原子半径相差越大，溶质在晶格错配度越大[32]。晶格错配度的大小及符号对相影响，晶格错配度越小，沉淀相越偏向于以球状颗状颗粒以前必须生长到一定尺寸，而晶格错配度较以立方阵列形式析出[33]。图 1-3 中的背散射电子微高温合金 IN738LC 中的 / 两相形貌，图中尺寸较相以球状颗粒析出[34]。温合金的基体相和沉淀相中均存在堆垛层错、位
【学位授予单位】：西北工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG132.3

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