新型Co基变形高温合金的成分设计与制备
发布时间：2020-12-22 08:01
为了提高航空发动机的效率,航空发动机涡轮前进口温度不断增加,其关键热端零部件涡轮盘的服役温度也不断增大。目前广泛使用的涡轮盘合金为γ’-Ni3（Al,Ti）相强化的镍基变形高温合金,为了提高其高温使用性能,加入了大量合金化元素,这使得合金的热加工性能急剧下降,使用温度限制在750℃以下,已无法满足下一代涡轮盘材料的要求。新型γ’-Co3（Al,W）强化的Co-Al-W基高温合金由于具有更小的凝固偏析倾向,更大的热加工窗口,有潜力的高温强度被视为下一代的涡轮盘用变形高温合金。目前此合金存在组元简单,比重较大,γ’的稳定性不足,合金元素搭配不合理导致有害相析出等问题,限制了该合金的应用。本工作利用CALPHAD方法,通过预测合金成分及热处理制度对合金相组成的影响,设计并优化合金的成分,利用相转变规律指导合金制备及热变形性能研究。得到了如下结果:（1）初步确定了低W高Ta、Ti合金的成分范围Co-9Al-（3～5）W-（15～30）Ni-（2～3）Ta-（3～5）Ti（at.%）,利用Pandat计算软件及钴基高温合金热力学数据库,计算了 W、N i、Ta及Ti对平衡相析出行为的影响,结果表...
【文章来源】：北京有色金属研究总院北京市
【文章页数】：68 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２．１镍基变形高温合金的热加工窗口随Ａｌ＋Ｔｉ含量的变化关系［２（）］??４??
的研宄者均在这方面展开了工作，先后在不同的Ｃｏ－Ｘ体系发现??了?Ｌｌ２结构的Ｃｏ３Ｔｉ［２４－２５＿?Ｃ〇３Ｔａ［２Ｍ７］。但进一步地研宄表明，Ｃ〇３Ｔｉ和Ｃｏ３Ｔａ的高温??稳定性不足，无法在超过８００°Ｃ的情况下长期存在。??直到２００６年，Ｓａｔｏ等人在Ｃｏ－Ａｌ－Ｗ体系中时发现了?９９０°Ｃ稳定存在的与Ｎｉ基高??温合金中相似的具有Ｌｌ２结构的Ｙ＇－Ｃｏ３（Ａ１，Ｗ）相，其认为是Ｗ的加入进一步稳定了??Ｃｏ３Ａ１，其稳定存在的温度也远远高于ｆ－Ｃｏ３Ｔｉ和Ｃ〇３Ｔａｈ其组织如图２．２所示。这??种简单组元合金的固液相线温度也远远高于镍高温合金，可能是由于目前的合金组元??较为简单，简单组元下的Ｙ＇固溶温度较低，在９００ＸＭ１０（ｒＣ之间，但是丫＇的体积分数??往往达到６０－７５％，合金的热加工窗口达到１５０°Ｃ－３００°Ｃ左右，因此新型Ｃｏ－Ａｌ－Ｗ合??金非常适合锻造。此外，其固液相温度区间较小，这使得合金在熔炼过程中具有更小??的偏析倾向。Ｙａｏ等通过理论计算证明了／－Ｃ〇３（Ａｌ，Ｗ）的结构稳定性［２８］，弹性模量大??于很多同类型的７＇相［２８＿３１］。研宄者们对三元或者四元合金的高温强度及蠕变强度的研??究表明，这种简单组元的高温强度［７，８］和蠕变强度［６，９］与复杂组元的镍基高温合金相当，??在高温强度方面的提升方面也显示出良好的潜力。??上述研究表明，Ｃｏ－Ａｌ－Ｗ合金由于具有较宽的热加工窗口及具有潜力的高温强度，??有希望实现高温强度和可加工性能的平衡。??國??图２．２?Ｃｏ－Ａｌ－Ｗ三元合金的透射电镜照片及该区域的电子衍射斑［３】??２．２．１?Ｃｏ－Ａｌ－Ｗ合金的相组成??目前Ｃｏ－Ａ
?２文献综述???相稳定性，作出了?Ｃｏ－Ａｌ－Ｗ体系富钴端在９００°Ｃ下的等温截面，图２．３标出了稳定相??和亚稳相的边界。Ｘｕｅ等［３３］在９００°Ｃ下对ＣＯ－９Ａ１－１０Ｗ合金进行了?５０ｈ－３００ｈ的时效处??理，ｙ＇的体积分数没有明显的下降，这说明／是稳定的。Ｋｏｂａｙａｓｈｉ等［１２，３４］和Ｌａｓｓ等［３５］??对Ｃｏ－Ａｌ－Ｗ三元合金在９００°Ｃ下进行长时间（２０００ｈ以上）退火后发现，富钴端最终??呈现Ｙ－Ｃｏ、（３－ＣｏＡｌ、５ｃ－Ｃｏ３Ｗ三相平衡，这说明／相是亚稳定相。??Ｌａｓｓ等［３６］又对９５０°Ｃ及１０００°Ｃ的合金的相组成及稳定性进行研宄发现，１０００°Ｃ??下的等温截面与Ｓａｔｏ等相吻合，富钴端只存在丫－Ｃｏ、ｐ－ＣｏＡｌ、ｘ＿Ｃ〇３Ｗ三相平衡。??Ｌａｓｓ等［３６］又对７５０°Ｃ及８５０°Ｃ合金的组成相及稳定性进行了研宄，发现ｆ相更快??的溶解，最终变为Ｙ－Ｃｏ、ｐ－ＣｏＡｌ、Ｚ－Ｃｏ３Ｗ三相平衡。Ｗｅｒｔｚ［３７＾Ｃｏ－９Ａｌ－９Ｗ及几种??不同Ｗ：?Ａ１的三元合金在８５０°Ｃ下进行了?５０００ｈ的时效处理，合金的相组成为ＦＣＣ?＋??ＬＩ２?＋?ＤＯ１９，没有发现Ｂ２的存在，这与Ｌａｓｓ等人的结果相反，同时，力口入一定的Ｎｉ??元素后，Ｃｏ－９Ａｌ－９Ｗ合金中的ＤＯ１９相大幅下降，Ｌｈ相上升，低Ｗ：?Ａ１合金中ＤＯ１９??相消失，完全由ＦＣＣ?＋?Ｌ１２两相组成。??Ｔ＝１１７３?Ｋ．?４０／／＇＇＾（Ｂ２）??／?—?ｓｔａｂｌｅ??／?／ＩＩ?＼???ｍｅｔａｓｔａｂｌｅ??處??／?／、，?Ｃ?ｒ￣ＸＭ（Ｄ８ｓ）??Ｃｏ?１０?２０?３０?４０??
【参考文献】：
期刊论文
[1]Investigation on the homogenization treatment and element segregation on the microstructure of a γ/γ′-cobalt-based superalloy[J]. Saeed Aliakbari Sani,Hossein Arabi,Shahram Kheirandish,Golamreza Ebrahimi. International Journal of Minerals Metallurgy and Materials. 2019(02)
[2]中国变形高温合金研制进展[J]. 杜金辉,赵光普,邓群,吕旭东,张北江. 航空材料学报. 2016(03)
[3]铸造高温合金真空感应熔炼过程的研究[J]. 李超,刘佳,于昂,庞双军,李雪峰,颜国卿,高国华,孟宇. 真空. 2016(02)
[4]战斗机发动机的研制现状和发展趋势[J]. 林左鸣. 航空发动机. 2006(01)
[5]镍基高温合金设计方法的研究进展[J]. 王春水,彭志方. 机械工程材料. 2005(01)
[6]对涡轮盘材料的需求及展望[J]. 江和甫. 燃气涡轮试验与研究. 2002(04)
[7]飞机涡轮盘用镍基粉末高温合金研究进展[J]. 陈焕铭,胡本芙,张义文,余泉茂,李慧英. 材料导报. 2002(11)
硕士论文
[1]GH4169合金涡轮盘组织均匀性控制研究[D]. 刘帅.燕山大学 2014
[2]新型Ni-Co基变形高温合金的成分设计与组织性能关系[D]. 王衣.上海交通大学 2010
本文编号：2931422
【文章来源】：北京有色金属研究总院北京市
【文章页数】：68 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２．１镍基变形高温合金的热加工窗口随Ａｌ＋Ｔｉ含量的变化关系［２（）］??４??
的研宄者均在这方面展开了工作，先后在不同的Ｃｏ－Ｘ体系发现??了?Ｌｌ２结构的Ｃｏ３Ｔｉ［２４－２５＿?Ｃ〇３Ｔａ［２Ｍ７］。但进一步地研宄表明，Ｃ〇３Ｔｉ和Ｃｏ３Ｔａ的高温??稳定性不足，无法在超过８００°Ｃ的情况下长期存在。??直到２００６年，Ｓａｔｏ等人在Ｃｏ－Ａｌ－Ｗ体系中时发现了?９９０°Ｃ稳定存在的与Ｎｉ基高??温合金中相似的具有Ｌｌ２结构的Ｙ＇－Ｃｏ３（Ａ１，Ｗ）相，其认为是Ｗ的加入进一步稳定了??Ｃｏ３Ａ１，其稳定存在的温度也远远高于ｆ－Ｃｏ３Ｔｉ和Ｃ〇３Ｔａｈ其组织如图２．２所示。这??种简单组元合金的固液相线温度也远远高于镍高温合金，可能是由于目前的合金组元??较为简单，简单组元下的Ｙ＇固溶温度较低，在９００ＸＭ１０（ｒＣ之间，但是丫＇的体积分数??往往达到６０－７５％，合金的热加工窗口达到１５０°Ｃ－３００°Ｃ左右，因此新型Ｃｏ－Ａｌ－Ｗ合??金非常适合锻造。此外，其固液相温度区间较小，这使得合金在熔炼过程中具有更小??的偏析倾向。Ｙａｏ等通过理论计算证明了／－Ｃ〇３（Ａｌ，Ｗ）的结构稳定性［２８］，弹性模量大??于很多同类型的７＇相［２８＿３１］。研宄者们对三元或者四元合金的高温强度及蠕变强度的研??究表明，这种简单组元的高温强度［７，８］和蠕变强度［６，９］与复杂组元的镍基高温合金相当，??在高温强度方面的提升方面也显示出良好的潜力。??上述研究表明，Ｃｏ－Ａｌ－Ｗ合金由于具有较宽的热加工窗口及具有潜力的高温强度，??有希望实现高温强度和可加工性能的平衡。??國??图２．２?Ｃｏ－Ａｌ－Ｗ三元合金的透射电镜照片及该区域的电子衍射斑［３】??２．２．１?Ｃｏ－Ａｌ－Ｗ合金的相组成??目前Ｃｏ－Ａ
?２文献综述???相稳定性，作出了?Ｃｏ－Ａｌ－Ｗ体系富钴端在９００°Ｃ下的等温截面，图２．３标出了稳定相??和亚稳相的边界。Ｘｕｅ等［３３］在９００°Ｃ下对ＣＯ－９Ａ１－１０Ｗ合金进行了?５０ｈ－３００ｈ的时效处??理，ｙ＇的体积分数没有明显的下降，这说明／是稳定的。Ｋｏｂａｙａｓｈｉ等［１２，３４］和Ｌａｓｓ等［３５］??对Ｃｏ－Ａｌ－Ｗ三元合金在９００°Ｃ下进行长时间（２０００ｈ以上）退火后发现，富钴端最终??呈现Ｙ－Ｃｏ、（３－ＣｏＡｌ、５ｃ－Ｃｏ３Ｗ三相平衡，这说明／相是亚稳定相。??Ｌａｓｓ等［３６］又对９５０°Ｃ及１０００°Ｃ的合金的相组成及稳定性进行研宄发现，１０００°Ｃ??下的等温截面与Ｓａｔｏ等相吻合，富钴端只存在丫－Ｃｏ、ｐ－ＣｏＡｌ、ｘ＿Ｃ〇３Ｗ三相平衡。??Ｌａｓｓ等［３６］又对７５０°Ｃ及８５０°Ｃ合金的组成相及稳定性进行了研宄，发现ｆ相更快??的溶解，最终变为Ｙ－Ｃｏ、ｐ－ＣｏＡｌ、Ｚ－Ｃｏ３Ｗ三相平衡。Ｗｅｒｔｚ［３７＾Ｃｏ－９Ａｌ－９Ｗ及几种??不同Ｗ：?Ａ１的三元合金在８５０°Ｃ下进行了?５０００ｈ的时效处理，合金的相组成为ＦＣＣ?＋??ＬＩ２?＋?ＤＯ１９，没有发现Ｂ２的存在，这与Ｌａｓｓ等人的结果相反，同时，力口入一定的Ｎｉ??元素后，Ｃｏ－９Ａｌ－９Ｗ合金中的ＤＯ１９相大幅下降，Ｌｈ相上升，低Ｗ：?Ａ１合金中ＤＯ１９??相消失，完全由ＦＣＣ?＋?Ｌ１２两相组成。??Ｔ＝１１７３?Ｋ．?４０／／＇＇＾（Ｂ２）??／?—?ｓｔａｂｌｅ??／?／ＩＩ?＼???ｍｅｔａｓｔａｂｌｅ??處??／?／、，?Ｃ?ｒ￣ＸＭ（Ｄ８ｓ）??Ｃｏ?１０?２０?３０?４０??
【参考文献】：
期刊论文
[1]Investigation on the homogenization treatment and element segregation on the microstructure of a γ/γ′-cobalt-based superalloy[J]. Saeed Aliakbari Sani,Hossein Arabi,Shahram Kheirandish,Golamreza Ebrahimi. International Journal of Minerals Metallurgy and Materials. 2019(02)
[2]中国变形高温合金研制进展[J]. 杜金辉,赵光普,邓群,吕旭东,张北江. 航空材料学报. 2016(03)
[3]铸造高温合金真空感应熔炼过程的研究[J]. 李超,刘佳,于昂,庞双军,李雪峰,颜国卿,高国华,孟宇. 真空. 2016(02)
[4]战斗机发动机的研制现状和发展趋势[J]. 林左鸣. 航空发动机. 2006(01)
[5]镍基高温合金设计方法的研究进展[J]. 王春水,彭志方. 机械工程材料. 2005(01)
[6]对涡轮盘材料的需求及展望[J]. 江和甫. 燃气涡轮试验与研究. 2002(04)
[7]飞机涡轮盘用镍基粉末高温合金研究进展[J]. 陈焕铭,胡本芙,张义文,余泉茂,李慧英. 材料导报. 2002(11)
硕士论文
[1]GH4169合金涡轮盘组织均匀性控制研究[D]. 刘帅.燕山大学 2014
[2]新型Ni-Co基变形高温合金的成分设计与组织性能关系[D]. 王衣.上海交通大学 2010
本文编号：2931422
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