Co对Inconel 718合金相稳定性与力学性能影响的第一性原理研究
发布时间：2021-01-01 01:30
随着现代制造业的快速发展,高性能材料一直是科研人员关注的焦点。Inconel 718合金是镍基高温合金中典型的代表之一,它是由主要强化相γ″-Ni3Nb相和辅助强化相γ′-Ni3（Al,Ti）相及基体相组成的时效强化型合金,因其具有良好的高温使用性能、高温抗氧化性及热加工性能,被广泛用于制作航空航天领域的热端部件如涡轮、叶片等。Inconel 718合金用作热端部件时工作条件恶劣,尤其是当合金使用温度超过650℃以上长期工作时,合金组织会发生失稳,造成合金高温性能降低。作为合金化元素,Co本身具有良好的高温性能,可以影响高温合金的显微组织稳定性。在镍基高温合金中,Co原子的添加略降低了γ′相中Al、Ti在合金基体中的溶解度,但减少了碳化物的析出;同时Co还可以提高变形镍基高温合金的热延性,提高合金组织的稳定性并改善其热加工性能;在某种程度上,也能降低Ni-Cr-Co固溶体的堆垛层错能,抑制交叉滑移促进合金的强化,提高合金的使用温度。本文采用第一性原理理论计算与实验研究相结合的方法,研究了Co掺杂对Inconel 718合金中γ相、γ′相、γ"...
【文章来源】：兰州理工大学甘肃省
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
γ相和γ′相的晶体结构[27]
Co对Inconel718合金相稳定性与性能影响的第一性原理和实验研究4因而限制了Inconel718合金的使用温度不能超过650～700℃。图1.2γ"相的单胞结构和(111)面的原子排列[27]δ相与γ"相非常相似，它作为γ"相的平衡相其成分也为Ni3Nb，不同的是δ相的微观结构是正交点阵的DOa结构。通常δ相与γ基体间也存在位相关系：(200)γ//(100)δ和[011]γ//[001]δ，其单胞结构和(010)面原子排列如图1.3所示[28-29]。从图中可以看出晶胞中有六个镍原子，形成坐标为：Ni(0,1/2,1/3)，(1/2,0,2/3)，(1/4,0,1/6)，(1/4,1/2,5/6)，(3/4,1/2,5/6)，以及两个铌原子构成，形成坐标为Nb(0,0,2/3)，(1/2,1/2,1/3)。一般合金中δ相的密排面(010)与强化相γ"相的密排面(112)具有相同的原子排列方式，不同的是各相密排面的堆垛方式，δ相的堆垛次序为：ABABABAB……。当固溶温度为900℃时富Nb的δ相在晶界或者孪晶上呈针片状析出，当温度为980℃时δ相将会发生溶解，沿晶界呈短棒状析出。在高温合金中高硬度的δ相经常会引起裂纹的出现，致使合金的塑性、韧性大幅度降低[30]。然而，有研究表明一定数量的δ相析出于晶界能够有效阻止晶界滑移的数目，改善Inconel718合金的蠕变性能，因而δ相也具有它有利的一面。碳化物是Inconel718合金的间隙相，微观结构是以Bl型面心立方结构。碳化物中的金属原子以密排形式堆积，其中碳和氮原子的半径小于金属原子，因此分布在密排金属原子的间隙中。碳化物的种类主要有MC型、M6C和M23C6型等。其中面心立方结构的MC型碳化物最为常见，由于碳化物与基体呈非共格的关系，因此在晶界和晶内呈粗大块状偏析产生，可有效抑制晶粒粗化。此外，这些碳化物还具有高熔点和高硬度、脆性大等特点。
硕士学位论文5图1.3δ相的单位晶胞及(010)面原子排列1.2.2Inconel718合金中元素的作用为了提高Inconel718合金的高温强度、力学性能及工作温度等，目前研究趋势是加入一些合金元素(如具有高熔点、原子半径大等)。这些元素在合金中各自承担不同的作用，如固溶强化、第二相强化、晶界强化等。因此，这些方法将会是强化高温合金的主要手段。根据各元素在Inconel718合金中化学成分所占的比例，可以看出Ni、Fe、Cr元素含量最多。Ni的含量约占55wt%，是构成γ基体的主要元素，形成稳定的奥氏体组织。Ni的电子结构决定了该元素本身有较强的固溶能力和合金化能力，这为改善合金性能提供了潜在的可能性。对于纯Ni来说其硬度不高，但塑性却极好，尤其在低温下塑性基本不变，所以合金本身所具有的优异性能与镍基体的性能息息相关[31]；而Fe与Ni元素属于同一周期，两者的晶格常数仅相差3%，Fe的含量约占18wt%。在某种程度上，Fe能够降低合金基体的堆垛层错能，有利于达到固溶强化的效果；Cr元素主要固溶在γ基体中，它不仅提高了合金的耐腐蚀和抗氧化能力，还起到了固溶强化的效果。当Cr的含量达到一定值，金属材料表面会形成一层致密而连续的氧化膜(Cr2O3)，能够有效的阻止S、O等元素的内外扩散。此外，少量的Cr与C结合形成MC型碳化物有强化晶界的作用，但Cr含量过高会形成σ相导致合金的组织稳定降低。因此，Cr元素的含量必须控制在适当范围内，才能获得综合性能优异的镍基高温合金。Al、Ta和Ti是强化相γ′相主要的形成元素，将这三种元素适当固溶入γ基体中，与Ni元素形成γ′-Ni3(Al、Ti、Ta)相，产生沉淀强化作用。若Ti含量逐渐增多会使共晶溶解困难，增加了合金固溶处理的难度，后期会削弱抗氧化和铸造性能。通过调整Al和Ti的含量，可有效改变
【参考文献】：
期刊论文
[1]钼对IN718合金凝固过程中铌元素的偏析和均匀化的影响[J]. 韩大尉,孙文儒,于连旭,刘芳,张滨,胡壮麒. 热处理. 2018(04)
[2]Mo对IN718合金长期时效组织及拉伸性能的影响[J]. 韩大尉,孙文儒,刘芳,张滨,胡壮麒. 特钢技术. 2018(02)
[3]Nb掺杂对Ni基合金中γ’→γ"相转变影响的第一原理研究[J]. 孙昊昉,田素贵,金莹. 稀有金属材料与工程. 2017(02)
[4]Al、Ti含量对Inconel 718合金铸造组织和凝固行为的影响[J]. 王立红,刘子利,刘希琴,孙楠,温宸. 材料科学与工程学报. 2016(02)
[5]高温合金叶片单晶凝固技术的新发展[J]. 马德新. 金属学报. 2015(10)
[6]镍基粉末高温合金中微量元素Hf的作用[J]. 张义文,胡本芙. 金属学报. 2015(08)
[7]5d过渡金属在Ni3Al中掺杂效应的第一性原理研究[J]. 文志勤,赵宇宏,侯华,韩培德. 稀有金属材料与工程. 2014(06)
[8]GH4169G合金热处理期间的相转变特征与机理分析[J]. 田素贵,王欣,谢君,刘臣,郭忠革,刘姣,孙文儒. 金属学报. 2013(07)
[9]INCONEL 718（GH4169）高温合金的发展与工艺[J]. 齐欢. 材料工程. 2012(08)
[10]Nb在Ni3Al中取代行为及合金化效应的第一性原理研究[J]. 赵宇宏,黄志伟,李爱红,穆彦青,杨伟明,侯华,韩培德,张素英. 物理学报. 2011(04)
硕士论文
[1]TaN（111）/TiN（111）界面的电子结构和成键特性的第一性原理研究[D]. 刘春艳.天津大学 2017
[2]热处理对GH4169G合金组织结构和蠕变性能的影响[D]. 王欣.沈阳工业大学 2013
[3]含铼镍基单晶高温合金组织稳定性及低铼成分的热力学设计[D]. 王静.上海交通大学 2011
本文编号：2950684
【文章来源】：兰州理工大学甘肃省
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
γ相和γ′相的晶体结构[27]
Co对Inconel718合金相稳定性与性能影响的第一性原理和实验研究4因而限制了Inconel718合金的使用温度不能超过650～700℃。图1.2γ"相的单胞结构和(111)面的原子排列[27]δ相与γ"相非常相似，它作为γ"相的平衡相其成分也为Ni3Nb，不同的是δ相的微观结构是正交点阵的DOa结构。通常δ相与γ基体间也存在位相关系：(200)γ//(100)δ和[011]γ//[001]δ，其单胞结构和(010)面原子排列如图1.3所示[28-29]。从图中可以看出晶胞中有六个镍原子，形成坐标为：Ni(0,1/2,1/3)，(1/2,0,2/3)，(1/4,0,1/6)，(1/4,1/2,5/6)，(3/4,1/2,5/6)，以及两个铌原子构成，形成坐标为Nb(0,0,2/3)，(1/2,1/2,1/3)。一般合金中δ相的密排面(010)与强化相γ"相的密排面(112)具有相同的原子排列方式，不同的是各相密排面的堆垛方式，δ相的堆垛次序为：ABABABAB……。当固溶温度为900℃时富Nb的δ相在晶界或者孪晶上呈针片状析出，当温度为980℃时δ相将会发生溶解，沿晶界呈短棒状析出。在高温合金中高硬度的δ相经常会引起裂纹的出现，致使合金的塑性、韧性大幅度降低[30]。然而，有研究表明一定数量的δ相析出于晶界能够有效阻止晶界滑移的数目，改善Inconel718合金的蠕变性能，因而δ相也具有它有利的一面。碳化物是Inconel718合金的间隙相，微观结构是以Bl型面心立方结构。碳化物中的金属原子以密排形式堆积，其中碳和氮原子的半径小于金属原子，因此分布在密排金属原子的间隙中。碳化物的种类主要有MC型、M6C和M23C6型等。其中面心立方结构的MC型碳化物最为常见，由于碳化物与基体呈非共格的关系，因此在晶界和晶内呈粗大块状偏析产生，可有效抑制晶粒粗化。此外，这些碳化物还具有高熔点和高硬度、脆性大等特点。
硕士学位论文5图1.3δ相的单位晶胞及(010)面原子排列1.2.2Inconel718合金中元素的作用为了提高Inconel718合金的高温强度、力学性能及工作温度等，目前研究趋势是加入一些合金元素(如具有高熔点、原子半径大等)。这些元素在合金中各自承担不同的作用，如固溶强化、第二相强化、晶界强化等。因此，这些方法将会是强化高温合金的主要手段。根据各元素在Inconel718合金中化学成分所占的比例，可以看出Ni、Fe、Cr元素含量最多。Ni的含量约占55wt%，是构成γ基体的主要元素，形成稳定的奥氏体组织。Ni的电子结构决定了该元素本身有较强的固溶能力和合金化能力，这为改善合金性能提供了潜在的可能性。对于纯Ni来说其硬度不高，但塑性却极好，尤其在低温下塑性基本不变，所以合金本身所具有的优异性能与镍基体的性能息息相关[31]；而Fe与Ni元素属于同一周期，两者的晶格常数仅相差3%，Fe的含量约占18wt%。在某种程度上，Fe能够降低合金基体的堆垛层错能，有利于达到固溶强化的效果；Cr元素主要固溶在γ基体中，它不仅提高了合金的耐腐蚀和抗氧化能力，还起到了固溶强化的效果。当Cr的含量达到一定值，金属材料表面会形成一层致密而连续的氧化膜(Cr2O3)，能够有效的阻止S、O等元素的内外扩散。此外，少量的Cr与C结合形成MC型碳化物有强化晶界的作用，但Cr含量过高会形成σ相导致合金的组织稳定降低。因此，Cr元素的含量必须控制在适当范围内，才能获得综合性能优异的镍基高温合金。Al、Ta和Ti是强化相γ′相主要的形成元素，将这三种元素适当固溶入γ基体中，与Ni元素形成γ′-Ni3(Al、Ti、Ta)相，产生沉淀强化作用。若Ti含量逐渐增多会使共晶溶解困难，增加了合金固溶处理的难度，后期会削弱抗氧化和铸造性能。通过调整Al和Ti的含量，可有效改变
【参考文献】：
期刊论文
[1]钼对IN718合金凝固过程中铌元素的偏析和均匀化的影响[J]. 韩大尉,孙文儒,于连旭,刘芳,张滨,胡壮麒. 热处理. 2018(04)
[2]Mo对IN718合金长期时效组织及拉伸性能的影响[J]. 韩大尉,孙文儒,刘芳,张滨,胡壮麒. 特钢技术. 2018(02)
[3]Nb掺杂对Ni基合金中γ’→γ"相转变影响的第一原理研究[J]. 孙昊昉,田素贵,金莹. 稀有金属材料与工程. 2017(02)
[4]Al、Ti含量对Inconel 718合金铸造组织和凝固行为的影响[J]. 王立红,刘子利,刘希琴,孙楠,温宸. 材料科学与工程学报. 2016(02)
[5]高温合金叶片单晶凝固技术的新发展[J]. 马德新. 金属学报. 2015(10)
[6]镍基粉末高温合金中微量元素Hf的作用[J]. 张义文,胡本芙. 金属学报. 2015(08)
[7]5d过渡金属在Ni3Al中掺杂效应的第一性原理研究[J]. 文志勤,赵宇宏,侯华,韩培德. 稀有金属材料与工程. 2014(06)
[8]GH4169G合金热处理期间的相转变特征与机理分析[J]. 田素贵,王欣,谢君,刘臣,郭忠革,刘姣,孙文儒. 金属学报. 2013(07)
[9]INCONEL 718（GH4169）高温合金的发展与工艺[J]. 齐欢. 材料工程. 2012(08)
[10]Nb在Ni3Al中取代行为及合金化效应的第一性原理研究[J]. 赵宇宏,黄志伟,李爱红,穆彦青,杨伟明,侯华,韩培德,张素英. 物理学报. 2011(04)
硕士论文
[1]TaN（111）/TiN（111）界面的电子结构和成键特性的第一性原理研究[D]. 刘春艳.天津大学 2017
[2]热处理对GH4169G合金组织结构和蠕变性能的影响[D]. 王欣.沈阳工业大学 2013
[3]含铼镍基单晶高温合金组织稳定性及低铼成分的热力学设计[D]. 王静.上海交通大学 2011
本文编号：2950684
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