Cu和Co对Inconel 718合金Nb偏析及Laves相的影响
发布时间：2021-11-16 11:41
Inconel 718合金是时效强化型镍铁铬基高温合金,由于其具有良好的高温抗氧化性、耐蚀性以及热稳定性等高温性能,被广泛应用于航空航天、石油化工以及核能等领域。但是,Inconel 718合金在铸造、焊接、激光熔覆过程中会发生Nb偏析,严重的Nb偏析会促进合金中形成大量的Laves相,Laves相属于硬脆相,会大大降低合金的性能及后续均匀化热处理难度。基于此,本文采用第一性原理计算和实验研究相结合的方法分析了Cu和Co对Inconel 718合金Nb元素偏析以及Laves相稳定性的影响。对比掺杂前后合金的结构性质、弹性性质以及电子性质的变化,从微观层面揭示了Cu和Co对Inconel 718合金Nb偏析及Laves相的影响机理;并采用XRD、SEM对试验合金铸态组织、Laves相形貌等进行了研究,检测了掺杂前后合金熔点、硬度以及Laves相初熔温度。得到以下结果:1.成功构建了Ni-Fe-Cr-Nb固溶体体系模型,第一性原理计算表明,Cu和Co元素皆能成功掺杂进Inconel 718合金基体中,形成稳定的晶体结构,但是,由于掺杂元素的原子半径、原子间相互作用等差异,导致掺杂体系发生了...
【文章来源】：兰州理工大学甘肃省
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
γ相的晶体结构图
Cu和Co对Inconel718合金Nb偏析及Laves相的影响2化相，γ′-Ni3(Al,Ti)相为辅助强化相，且含少量δ-Ni3Nb相、碳化物以及Laves相的时效强化型镍基高温合金。表1.2为Inconel718合金主要相的分子式、晶体结构与晶格常数[8-11]。表1.2Inconel718合金主要相的分子式、晶体结构与晶格常数相分子式晶体结构晶格常数/γNiFCC(Al)a=3.519γ′Ni3(Al、Ti)FCC(Ll2)a=3.570γ"Ni3Nb体心四方（DO22）a=3.624，b=7.406δNi3Nb正交有序（DOa）a=5.106，b=4.251c=4.550MXLaves(Nb,Ti)(C,N)(Ni,Fe,Cr)2(Nb,Ti,Si)FCC(Bl)六方密排结构a=4.43～4.44a=b=4.761，c=7.895（1）γ相γ（Ni、Fe、Cr）相是Inconel718合金的基体相，是合金元素溶入Ni晶格中所形成的的固溶体，如图1.1所示，γ相的微观结构属于面心立方结构，Ni原子位于晶胞的顶点和面心位置。由于Al、Cr、Mo等元素在该基体中有较大的溶解度，元素固溶使基体相发生晶格畸变，这些元素增加了固溶体的点阵常数，达到固溶强化增强基体强度的效果。图1.1γ相的晶体结构图图1.2γ′相的晶体结构（2）γ′相γ′（Ni3Al/Ti）相为Inconel718合金的辅助强化相，晶体结构如图1.2所示，γ′相的微观结构是Cu3Au型面心立方有序结构，其中，Al原子位于面心立方结构的八个顶点位置，Ni原子位于结构的面心位置。γ′相晶格常数与奥氏体基体相差
工程硕士学位论文3不大，错位匹配度在0.05%～1.0%之间，并且错位匹配度随着温度的升高而降低。γ′相与奥氏体基体共格，两者之间界面能较低，有利于提高γ′相的稳定性[12]。由于Inconel718合金中，Al、Ti的含量相对比Nb含量少很多，所以，γ′-Ni3Al/Ti相在合金中作为辅助强化相。（3）γ"相γ"（Ni3Nb）相是Inconel718合金中的主要强化相，其微观结构为体心四方有序结构，其单胞结构如图1.3所示，一个γ"相晶胞的结构可以看成一个1×1×2的γ′相超晶胞，Nb原子占据体心四方结构的八个顶点和体心位置，Ni原子则占据面心位置和平行于z轴的中心位置。γ"相相比于γ相，其晶格错位匹配度较小，在基体中一般呈现圆盘状弥散共格析出，γ与γ"之间有较大的点阵失调度，共格应力强化作用比较显著，因此，γ"能使Inconel718合金获得很高的屈服强度。γ"相在600~870℃之间析出，在732~760℃之间形成速度最快，而时效析出速度较慢[10,13-14]。γ"相是一种过渡相，属于亚稳相，在长时高温环境作用下，γ"相会聚集长大且发生相变，转变成稳定的δ相，这就对材料的使用温度有了很大的局限，使得Inconel718的使用温度不能高于650~700℃。图1.3γ"相的晶体结构图1.4δ相的单位晶胞（4）δ相δ（Ni3Nb）相是Inconel718合金中γ"相的平衡相，γ"相在材料长期加工、时效和进行热处理时就会发生相变转变成δ相，如图1.4所示，δ相其微观结构为正交有序的DOa结构，属于Cu3Ti型有序结构。δ相单位晶胞具有6个Ni原子和2个Nb原子,其坐标为：Ni(01/21/3)，(1/401/6)，(1/41/25/6)，(1/202/3)，(3/41/25/6)；Nb(1/21/21/3)，(002/3)。δ相在780~980℃之间析出，形成速度最快约为890~900℃[15]。δ相在较高温度时析出时为晶内片状，在较低温度析出时呈胞状。合金中
【参考文献】：
期刊论文
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博士论文
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[10]第一性原理研究一些材料的电子自旋极化[D]. 穆鑫.中国科学技术大学 2011
本文编号：3498814
【文章来源】：兰州理工大学甘肃省
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【学位级别】：硕士
【部分图文】：
γ相的晶体结构图
Cu和Co对Inconel718合金Nb偏析及Laves相的影响2化相，γ′-Ni3(Al,Ti)相为辅助强化相，且含少量δ-Ni3Nb相、碳化物以及Laves相的时效强化型镍基高温合金。表1.2为Inconel718合金主要相的分子式、晶体结构与晶格常数[8-11]。表1.2Inconel718合金主要相的分子式、晶体结构与晶格常数相分子式晶体结构晶格常数/γNiFCC(Al)a=3.519γ′Ni3(Al、Ti)FCC(Ll2)a=3.570γ"Ni3Nb体心四方（DO22）a=3.624，b=7.406δNi3Nb正交有序（DOa）a=5.106，b=4.251c=4.550MXLaves(Nb,Ti)(C,N)(Ni,Fe,Cr)2(Nb,Ti,Si)FCC(Bl)六方密排结构a=4.43～4.44a=b=4.761，c=7.895（1）γ相γ（Ni、Fe、Cr）相是Inconel718合金的基体相，是合金元素溶入Ni晶格中所形成的的固溶体，如图1.1所示，γ相的微观结构属于面心立方结构，Ni原子位于晶胞的顶点和面心位置。由于Al、Cr、Mo等元素在该基体中有较大的溶解度，元素固溶使基体相发生晶格畸变，这些元素增加了固溶体的点阵常数，达到固溶强化增强基体强度的效果。图1.1γ相的晶体结构图图1.2γ′相的晶体结构（2）γ′相γ′（Ni3Al/Ti）相为Inconel718合金的辅助强化相，晶体结构如图1.2所示，γ′相的微观结构是Cu3Au型面心立方有序结构，其中，Al原子位于面心立方结构的八个顶点位置，Ni原子位于结构的面心位置。γ′相晶格常数与奥氏体基体相差
工程硕士学位论文3不大，错位匹配度在0.05%～1.0%之间，并且错位匹配度随着温度的升高而降低。γ′相与奥氏体基体共格，两者之间界面能较低，有利于提高γ′相的稳定性[12]。由于Inconel718合金中，Al、Ti的含量相对比Nb含量少很多，所以，γ′-Ni3Al/Ti相在合金中作为辅助强化相。（3）γ"相γ"（Ni3Nb）相是Inconel718合金中的主要强化相，其微观结构为体心四方有序结构，其单胞结构如图1.3所示，一个γ"相晶胞的结构可以看成一个1×1×2的γ′相超晶胞，Nb原子占据体心四方结构的八个顶点和体心位置，Ni原子则占据面心位置和平行于z轴的中心位置。γ"相相比于γ相，其晶格错位匹配度较小，在基体中一般呈现圆盘状弥散共格析出，γ与γ"之间有较大的点阵失调度，共格应力强化作用比较显著，因此，γ"能使Inconel718合金获得很高的屈服强度。γ"相在600~870℃之间析出，在732~760℃之间形成速度最快，而时效析出速度较慢[10,13-14]。γ"相是一种过渡相，属于亚稳相，在长时高温环境作用下，γ"相会聚集长大且发生相变，转变成稳定的δ相，这就对材料的使用温度有了很大的局限，使得Inconel718的使用温度不能高于650~700℃。图1.3γ"相的晶体结构图1.4δ相的单位晶胞（4）δ相δ（Ni3Nb）相是Inconel718合金中γ"相的平衡相，γ"相在材料长期加工、时效和进行热处理时就会发生相变转变成δ相，如图1.4所示，δ相其微观结构为正交有序的DOa结构，属于Cu3Ti型有序结构。δ相单位晶胞具有6个Ni原子和2个Nb原子,其坐标为：Ni(01/21/3)，(1/401/6)，(1/41/25/6)，(1/202/3)，(3/41/25/6)；Nb(1/21/21/3)，(002/3)。δ相在780~980℃之间析出，形成速度最快约为890~900℃[15]。δ相在较高温度时析出时为晶内片状，在较低温度析出时呈胞状。合金中
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[10]第一性原理研究一些材料的电子自旋极化[D]. 穆鑫.中国科学技术大学 2011
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