电子束精炼制备Inconel 718合金及其性能研究

发布时间：2020-10-14 13:01

　　 镍基高温合金所含合金元素众多,成分控制难度大,为了保证高温长期服役时的性能要求,对合金中的微量杂质元素含量及夹杂的控制也有严格的要求。目前国内高温合金多采用双联或三联的熔炼工艺制备,但仍存在微量杂质含量高、合金元素偏析大、流程长等问题。电子束精炼是利用高能量密度的电子束轰击材料的表面使其熔化并提纯的工艺,由于突破了传统冶金过程中液固界面处杂质元素迁移驱动力减弱的问题,其在杂质元素和夹杂物的去除方面有着独到的优势,可实现超纯净、低偏析高温合金的制备。然而,电子束精炼制备高温合金的一些基本问题还未彻底解决,如伴随着杂质元素及非金属夹杂物的去除,合金元素也存在不同程度的挥发损失,此外,制备得到的高纯高温合金的组织特点及其与性能之间的关系尚未明确。这些问题的明晰有利于实现高温合金的组织控制从而提高其使用性能,对电子束精炼高温合金的产业化具有重要意义。本研究从Inconel 718合金的电子束高纯化制备出发,研究电子束精炼过程中元素的挥发行为,根据各元素的挥发损失规律指导电子束的精炼,以实现合金成分的精确控制。同时,探讨电子束精炼制备的Inconel 718(EBS 718)合金不同热处理状态下的组织特点及力学性能,以建立组织及析出行为与力学性能的关系。在此基础上,讨论EBS 718合金中γ'/γ''析出相的强化机制,获得合金析出行为与强化效果的定量关系,为优化EBS 718合金组织及力学性能提供理论支撑。此外,对EBS 718合金抗腐蚀性能进行分析,探索影响EBS 718合金电化学腐蚀性能的关键因素。研究结果表明,利用Miedema模型计算Inconel 718合金中Fe、Ni及Cr元素的活度及活度系数是可行的,并由实际挥发速率与理论挥发速率的关系计算得到Al元素活度系数补偿因子ωA1的大小为0.0023。随着精炼温度及精炼时间的增加,Ni、Ti、Nb、Mo、Fe元素的质量分数有所增加,而Cr元素与Al元素的含量有所降低,随着母材质量的增加,Ni、Nb、Mo、Ti、Fe元素的质量分数先降低而后保持稳定,而Cr、Al元素的质量分数则先增加后保持稳定。经过工艺参数优化后,合金成分能够实现精确控制,其中最易挥发的Cr及Al元素的质量分数仅降低0.42%及0.01%。EBS 718合金铸态组织中的二次枝晶间距约为28 μm,其凝固末期的冷却速率约为279.2 ℃/min。经过标准热处理后,合金中主要析出相为12～15 nm大小的片状γ''相,其中γ"与γ'析出相含量的比值为2.92。随着固溶温度的增加,EBS 718合金中δ相含量呈指数规律降低,较低的固溶温度有利于γ丫'相的析出,而较高的固溶温度有利于γ'相的析出;当固溶温度为1150 ℃时,γ'均匀分布在基体中,其粒径约为8.43 nm,此时析出相与基体具有最小的错配度。EBS 718合金经过锻造处理后,在基体中弥散分布着细小的(Nb,Ti)C碳化物,基体中δ相基本消失。经过标准固溶处理后,合金发生了再结晶及晶粒生长,时效处理后晶界棒状δ相尺寸约为1.5 μm。随着固溶温度的升高,锻造的EBS 718合金晶粒尺寸增加,而沿晶界分布的δ相减少,当固溶温度高于980 ℃时,只观察到弥散分布的MC碳化物。EBS 718合金标准热处理后的维氏硬度约为418(HV0.1),压缩强度与抗拉强度分别为1169.5 MPa及981.9 MPa,其在680 ℃/500 MPa下的蠕变寿命为327.3 h,最小蠕变速率为3.90×10-5/h;随着固溶温度的升高,时效态EBS718合金的维氏硬度、抗拉强度及压缩强度均有所增加。蠕变结果表明,1150 ℃固溶并时效后的EBS 718合金相对于标准热处理的合金具有更低的稳态蠕变速率及较高的蠕变抗力;锻造的EBS 718合金标准热处理后,其维氏硬度值为458(HV0.1),压缩强度为1434.6 MPa,高于传统细晶锻造Inconel 718合金,其在680 ℃/500 MPa下的蠕变寿命为1266.2 h,为传统锻造Inconel 718合金的2.71倍,其最小蠕变速率约为7.50×10-7/h,约为传统锻造Inconel 718合金的1/20,表现出优异的抗蠕变性能;随固溶温度的增加,时效态合金的压缩强度及维氏硬度逐渐降低,对于高温压缩具有相似的规律。当固溶温度为1150 ℃时,锻造的EBS 718合金的蠕变寿命及最小蠕变速率分别为798.3 h及1.78×10-6,蠕变性能低于锻后标准热处理的EBS 718合金,但优于传统锻造Inconel 718合金。EBS 718合金中γ'析出相的主要强化机制为堆垛层错强化,对于γ''析出相,模量强化及有序强化为主要的强化机制。EBS 718合金的强化效果由γ"及γ'析出强化共同组成,由析出强化引起的临界剪切应力可表示为γ''及γ'析出行为相关的函数,其中γ''及γ'析出强化指数因子q的值分别为1.9及1.8。理论计算的临界剪切应力与屈服强度及维氏硬度保持线性关系,γ''及γ'双相强化模型能够较好地预测EBS 718合金的析出强化效果。EBS 718合金相对于传统的Inconel 718合金具有较高的自腐蚀电位和较低的自腐蚀电流密度,表现出优异的电化学腐蚀性能。EBS 718合金的点蚀电位随着固溶温度的增加而增加,固溶温度对电化学极化行为的影响主要表现为δ相的尺寸及体积分数随着固溶温度的增加而逐渐降低,因此降低了点蚀初始区的密度。时效处理后,合金中析出了γ及γ''相,初始点蚀区密度增加的同时富Nb的γ"相引起的晶格错配导致合金的抗腐蚀性能降低。当固溶温度为1150 ℃时,时效态合金中均匀分布着尺寸约为10 nm的γ'相,合金的电化学活化激活能为52.86 kJ/mol,表现出较高的电化学腐蚀抗力。
【学位单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TF815
【部分图文】：

图１．１某型航空发动机主要组成示意图??Ｆｉｇ．?１．１?Ｔｈｅ?ｓｋｅｔｃｈ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｍａｉｎ?ｃｏｍｐｏｅｎｅｎｔｓ?ｉｎ?ｏｎｅ?ｔｙｐｅ?ｏｆ?ａｅｒｏ－ｅｎｇｉｎｅ??工业中，高温合金主要用于制作反应堆蒸汽发生器传热管、元件格架及高温气冷堆和部分快堆的过热器与再热器传热管等零部件，其中Ｉｎｃｏ

Ｉｎｃｏｎｅｌ?７１８合金中元素众多，合金化程度高，其主要的析出相为体心四方Ｄ０２２型??的Ｙ＇＇相、面心立方结构的Ｌｌ２型Ｙ＇相以及正交有序的Ｓ－Ｎｉ３Ｎｂ相。Ｉｎｃｏｎｅｌ?７１８合金中Ｙ＇??相、Ｙ＇＇相及Ｓ相的晶体结构以及密排面的示意图如下图１．２所示，ｙ＇－Ｎｉ３Ａｌ相具有面心??立方有序结构，其中Ｎｉ原子位于面心位置，Ａｌ／Ｎｂ原子位于晶格顶点，而Ｙ＇＇－Ｎｉ３Ｎｂ及??Ｓ相中Ｎｂ原子占据顶角和体心位置，其它位置由Ｎｉ原子占据。??｜〇〇１｜??ｆ?１－１〇？］??丨：，，参丨?＿丨??［１００１?［１０－１１?（１００｜?ｌＩ１＿２Ｉ??Ｙ、晶格及密排面?卜ｌ－ｌ〇｜?ｆ?ＨＨ格及洗排面??／?１??口００丨?Ｃ＇?—Ｎｉ?ｍ?—ＡＩ／Ｎｂ?［１〇〇｜?細日６！格及密排面??图１．２?Ｙ＇、ｆ及Ｓ相的晶体结构及密排面??Ｆｉｇ．?１．２?Ｔｈｅ?ｃｒｙｓｔａｌ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ａｎｄ?ｃｌｏｓｅ－ｐａｃｋｅｄ?ｐｌａｎｅｓ?ｆｏｒ?ｙ＼?ｙ＇＇?ａｎｄ?５?ｐｈａｓｅ??－３－??

?电子束精炼制备Ｉｎｃｏｎｅｌ?７１８合金及其性能研究???如公式（１）?￣?（６）所示，对于Ｙ＇＇析出相，由于其形貌与Ｙ＇析出相有所差异，故其引起??的临界应力的大小与Ｙ＇析出相有所差异，相关的内容将在文中的第五章节进行讨论。研??究表明，通过调节Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｂ的含量及比例可以改变Ｉｎｃｏｎｅｌ?７１８合金中析出相的体积??分数及稳定性，如增加Ｔｉ和ＡＩ的含量可以提高Ｙ＇／Ｙ＇＇析出相的溶解温度及体积分数，??而当Ｎｂ含量增加时，Ｓ相的体积分数略有增加。随着Ａ１含量的增加，晶界的针状５相??逐渐向颗粒状转变，析出相的形貌也会出现“三明治”以及“包覆结构”，因此，Ａ１??含量的增加是提高Ｉｎｃｏｎｅｌ?７１８合金使用温度的有效途径［３，２Ｇ］；钢铁研宄总院通过增加??Ｉｎｃｏｎｅｌ?７１８合金中Ａ１元素的含量并降低Ｎｂ元素的含量，并加入Ｗ元素合金化，使得??合金的高温拉伸及持久性能大幅提升，这是由于Ｙ＇／Ｙ＇＇析出相长大速率降低、稳定性提??高，同时Ｙ＇体积分数增加，并且在晶界析出Ｍ６Ｃ型碳化物所导致的［２，２１］；谢锡善等在??Ｉｎｃｏｎｅｌ?７１８合金的基础上通过增加Ａ１及Ｔｉ的含量以及Ａｌ／Ｔｉ比，同时使用Ｗ及Ｃｏ代??替Ｆｅ，得到了新型丫＇析出强化合金Ａｌｌｖａｃ７１８Ｐｌｕｓ，该合金具有优异的使用性能［１２’２２］。??折出强化机制??
【参考文献】

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本文编号：2840698