亚快速凝固K424高温合金及其沉淀相析出规律研究

发布时间：2017-09-24 19:46

  本文关键词：亚快速凝固K424高温合金及其沉淀相析出规律研究

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【摘要】：高温合金是现代航空、航天发动机及工业燃气涡轮机的关键材料。K424合金作为我国自主研制的镍基高温合金,其铸造过程中所形成的等轴晶组织具有优异的综合使用性能,在发动机涡轮转子、整铸导向器等辅助动力装置中广泛应用。快速凝固作为研发高性能新结构材料的重要手段,可以显著实现晶粒细化效果,得到微晶、非晶和纳米晶结构材料,充分挖掘现存材料的使用潜力。此外,利用快速凝固过程中的非平衡效应,可以制备出过饱和固溶体,通过后续固态相变过程的控制,获得细小弥散分布的沉淀相组织。因此,针对以沉淀相析出为主要强化方式的镍基高温合金,系统研究不同冷却条件下凝固组织细化及不同热处理工艺下沉淀相析出规律,对于理解高温合金的强、韧化机理和性能,优化高温合金的制备工艺,提高材料使用性能具有明显的工程应用价值。本文采用真空感应熔炼与阶梯型铜模喷铸相结合的方式,深入研究亚快速凝固K424合金不同冷却速率下的显微组织变化规律。在此基础上,采取不同的等温热处理工艺,系统分析了亚快速凝固过饱和固溶体组织中的沉淀相析出行为。结合显微硬度的性能测试,建立了材料制备工艺、组织表征与性能检测之间的相互联系。亚快速凝固实验结果表明,冷速的增加可以有效细化K424合金中的γ基体相组织,其中二次枝晶间距约为5μm,仅为近平衡凝固条件下的1/16。枝晶组织的细化及溶质截留的发生,降低了合金中的成分偏析程度,导致γ+γ′共晶组织、MC碳化物相尺寸的降低,并可以有效抑制凝固结束后γ′强化相的析出,有利于过饱和固溶体的制备。热处理研究结果表明,固溶处理后的铸态合金经不同冷却方式,枝晶形貌有所弱化,枝晶花样变得简单。水冷条件下γ′相的形态表现为无规则的棱角状,而空冷和炉冷条件下,γ′相的形态表现为长条状,且边角比较圆钝。亚快速凝固K424合金在800℃、900℃及1000℃下时效240min后,γ′相的尺寸逐渐增大,其数值从0.09μm不断增大到0.35μm,形貌也从球形逐渐转变为方块形。800℃等温时效条件下,当保温时间从30min延长到240min时,γ′相尺寸持续增加,其数值从0.12μm不断增大到0.22μm。硬度测试结果表明,K424合金1100℃+240min固溶处理后,空冷条件下合金硬度最高,为470HV;炉冷次之,硬度值为422HV。水冷条件下,由于γ′析出相数量最少,合金硬度值最低,仅为367HV。当时效时间240min时,亚快速凝固K424合金在800℃~1000℃温度范围内,硬度值先增加、后降低,最高可达489HV。时效温度为1000℃时,γ′相粒子的粗化导致合金硬度值下降至440HV。当时效温度800℃时,亚快速凝固K424合金在30min~240min时间范围内,硬度值同样呈现先增加、后降低的趋势。时效时间60min时,合金硬度值最高,为493HV。
【关键词】：亚快速凝固 K424镍基高温合金 枝晶组织 沉淀相 力学性能
【学位授予单位】：南昌航空大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG244.3;TG156;TG132.3
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-9
• 第一章 绪论9-20
• 1.1 选题背景及意义9-10
• 1.2 高温合金的发展10-12
• 1.3 镍基高温合金的强化机理及其相组成12-15
• 1.3.1 固溶强化12-14
• 1.3.2 第二相强化14
• 1.3.3 晶界强化14-15
• 1.4 快速凝固技术在高温合金中的应用15-17
• 1.4.1 实现快速凝固的主要方法15-17
• 1.5 高温合金的热处理17-18
• 1.5.1 固溶处理17-18
• 1.5.2 中间处理18
• 1.5.3 时效处理18
• 1.6 本课题的研究目的18-20
• 第二章 研究内容与实验方案20-29
• 2.1 研究内容20
• 2.2 实验材料20-21
• 2.3 近平衡凝固实验21-22
• 2.3.1 实验设备21-22
• 2.3.2 实验步骤22
• 2.4 亚快速凝固实验22-25
• 2.4.1 实验设备22-23
• 2.4.2 亚快速凝固式样制备23-25
• 2.5 热处理实验25-26
• 2.5.1 实验设备25-26
• 2.5.2 热处理工艺方案26
• 2.6 分析测试方法26-29
• 2.6.1 组织形貌和成分分析26-27
• 2.6.2 晶粒尺寸测量27-28
• 2.6.3 力学性能测试28-29
• 第三章 冷却速率对K424合金凝固组织的影响29-38
• 3.1 K424合金近平衡凝固过程研究29-30
• 3.2 冷却速率对初生γ枝晶的影响30-31
• 3.3 冷却速率对γ′强化相的影响31-33
• 3.4 冷却速率对γ+γ′共晶相的影响33-34
• 3.5 冷却速度对碳化物相的影响34-35
• 3.6 铜模内径对K424合金亚快速凝固组织的影响35-36
• 3.7 亚快速凝固组织形成机理分析36
• 3.8 本章小结36-38
• 第四章 亚快速凝固K424合金沉淀相析出行为研究38-47
• 4.1 K424合金过饱和固溶体制备的研究38-42
• 4.1.1 冷却方式对合金固溶组织的影响38-39
• 4.1.2 冷却方式对K424合金γ′析出相的影响39-42
• 4.2 时效处理对亚快速凝固合金γ′相的影响42-45
• 4.2.1 时效温度对合金γ′相的影响42-44
• 4.2.2 时效时间对合金γ′相的影响44-45
• 4.3 本章小结45-47
• 第五章 热处理工艺对K424合金力学性能的影响47-51
• 5.1 冷却方式对K424合金固溶组织硬度的影响47-48
• 5.2 时效处理对亚快速凝固 K424 合金硬度的影响48-50
• 5.2.1 时效温度对亚快速凝固 K424 合金硬度的影响48-49
• 5.2.2 时效时间对亚快速凝固 K424 合金硬度的影响49-50
• 5.3 本章小结50-51
• 第六章 结论与展望51-53
• 6.1 结论51-52
• 6.2 展望52-53
• 参考文献53-56
• 攻读硕士期间发表的学术论文56-57
• 致谢57

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