新型低铼镍基单晶合金设计、制备及微结构研究

发布时间：2017-04-01 18:10

  本文关键词：新型低铼镍基单晶合金设计、制备及微结构研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着对镍基单晶合金性能要求的不断提高,发达国家已研制出第五代单晶合金。目前,国际上提高镍基单晶合金性能通常是在合金中添加贵重金属铼(Re)和钌(Ru),但是Re和Ru的增加,不仅合金成本和密度大幅增加,而且对合金的单晶成型能力也带来不利影响,因此关于如何在保证合金性能的基础上降低Re、Ru含量的研究具备十分重要的意义。本文主要在第三代镍基单晶合金基础上采用电子空位理论、d电子理论以及相图分析(CLAPHAD)法设计一种低铼第三代镍基单晶合金,在保证合金高温性能的基础上降低合金的密度、成本,并采用真空感应熔炼与定向凝固技术制备出单晶试样,研究熔体过热与热处理工艺对合金微观组织变化规律,研究结果表明:通过电子空穴法、d电子理论法以及相图分析(CLAPHAD)法进行合金设计得到以下较好的合金成份范围:Cr:3%,Co:9.5-10.5%,W:7.5-8%,Mo:1%,Ta:5.5-6%,Al:6%,Hf:0.1-0.2%,Ti:0-0.5%,Nb:0.2-0.5%,Re:3.5%,其余为Ni。其中Nv"f2.3、Md"f0.985、(W+Mo)"f3.5%(at%)以及Ta/(W+Mo)在0.5-1之间,并通过相图分析,其组织稳定性基本达到第三代单晶合金要求。新型单晶合金铸态组织呈枝晶状,枝晶干与枝晶间存在着严重成份偏析,Al、Ti、Ta、Nb、Cr偏析于枝晶间,而Re、W、Mo、Co偏析于枝晶间。在相同的抽拉速度(3mm/min)条件下,随着熔体过热温度的增高,枝晶干与枝晶间成份偏析降低;单晶合金中一次枝晶间距与二次枝晶间距均降低,其中一次枝晶间距降幅达40-60μm;枝晶间(γ+γ’)共晶组织由大的片状转变为小块状;γ’尺寸也显著变小,立方度提高。采用DTA实验分析可知合金的(γ+γ’)共晶组织在1445℃溶解。通过对比几种不同的固溶处理工艺,确定新型单晶合金的固溶处理工艺为:1300℃,4h+1310℃,6h+1320℃,8h,+1330℃,8h A.C。在该固溶处理条件下合金中共晶组织基本消除,枝晶干与枝晶间成份偏析大大降低。随一次时效温度的增加,新型单晶合金的γ’相尺寸不断增大,其立方度先增大后减小,在1180℃时单晶合金γ’尺寸达到最大,立方度最高。并在1200℃时出现棱角钝化现象。在时效冷却后发现基体通道中有二次γ’析出,并随着时效温度提高与时效时间延长,二次γ’相增大。新型单晶合金在相同固溶处理后经过870℃/24h与900℃/20h的二次时效,合金中的γ’相均有所长大,立方度有所提高;在1180℃/24h+870℃/24h处理后,γ’相更加均匀,排列规整。因此新型单晶合金的热处理工艺为:1300℃,4h+1310℃,6h+1320℃,8h,+1330℃,8h A.C+1180℃/24h+870℃/24h。
【关键词】：低铼镍基单晶合金 合金设计 熔体过热 热处理 偏析程度 微观组织
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG132.3
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第一章 绪论12-26
• 1.1 选题意义12-13
• 1.2 镍基单晶合金的发展现状13-15
• 1.3 镍基单晶合金相组成与成份特征15-18
• 1.3.1 相组成15-16
• 1.3.2 成份特征16-18
• 1.4 镍基单晶合金设计方法及现状18-20
• 1.4.1 电子空穴理论18-19
• 1.4.2 d-电子理论19
• 1.4.3 热力学模拟法（CLAPHAD法）19-20
• 1.5 单晶合金强化机制20-22
• 1.5.1 固溶强化20-21
• 1.5.2 第二相强化21-22
• 1.6 镍基单晶合金组织优化22-25
• 1.6.1 单晶合金熔体过热处理22-23
• 1.6.2 单晶合金热处理23-25
• 1.7 本文研究的主要内容25-26
• 第二章 实验材料与方法26-35
• 2.1 实验材料26
• 2.2 实验设备26-29
• 2.2.1 母合金熔炼26
• 2.2.2 型壳制备设备26-27
• 2.2.3 单晶制备实验设备27-28
• 2.2.4 其他设备28-29
• 2.3 实验内容及方案29-35
• 2.3.1 合金成份设计29-30
• 2.3.2 型壳制备30-32
• 2.3.3 单晶合金制备32-33
• 2.3.4 单晶枝晶间距计算33-34
• 2.3.5 差热分析实验34
• 2.3.6 单晶合金热处理工艺34
• 2.3.7 微观组织分析34-35
• 第三章 新型低Re镍基单晶合金成份设计35-45
• 3.1 引言35
• 3.2 理论计算35-40
• 3.2.1 平均电子空位法（Nv）35-37
• 3.2.2 d电子理论对TCP相及相稳定性预测37-38
• 3.2.3 合金性能因素38-40
• 3.3 JMat Pro软件对合金热力学分析40-44
• 3.3.1 初熔温度和密度40-41
• 3.3.2 合金微观结构稳定性41-43
• 3.3.3 合金的加工性能43-44
• 3.4 本章小结44-45
• 第四章 熔体过热处理对新型低铼镍基单晶合金的影响45-55
• 4.1 引言45
• 4.2 过热温度对单晶元素偏析的影响45-47
• 4.3 过热温度对单晶合金组织的影响47-51
• 4.3.1 过热温度对金相微观组织的影响47-49
• 4.3.2 过热温度对单晶合金中γ’相形态和分布的影响49-50
• 4.3.3 过热温度对共晶相（γ’+γ）的影响50-51
• 4.4 过热时间对单晶合金组织的影响51-53
• 4.4.1 过热时间对枝晶组织的影响51-53
• 4.4.2 过热时间对γ’相的影响53
• 4.5 本章小结53-55
• 第五章 热处理工艺对新型低铼镍基单晶合金组织的影响55-67
• 5.1 引言55
• 5.2 固溶处理对合金组织的影响55-60
• 5.2.1 差热分析55-56
• 5.2.2 固溶处理对单晶合金组织的影响56-58
• 5.2.3 固溶处理对单晶合金元素偏析的影响58-60
• 5.3 时效处理对单晶合金组织的影响60-65
• 5.3.1 一次时效温度对γ’相的影响60-62
• 5.3.2 一次时效时间对γ’相的影响62-64
• 5.3.3 二次时效对γ’相的影响64-65
• 5.4 本章小结65-67
• 第六章 结论67-69
• 参考文献69-76
• 致谢76-77
• 攻读学位期间发表的论文及其他科研成果77

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