固溶处理工艺对AM3单晶高温合金组织的影响
发布时间：2021-09-02 05:18
镍基单晶高温合金由于其较高的承温能力与优越的力学性能,被广泛应用于航空发动机与燃气轮机的关键热端部件。其成分变化的显著特点是难熔元素含量的提高,同时提高了合金的承温能力与高温力学性能,但难熔元素的添加使合金出现组织稳定性差、合金密度增大以及成本升高等问题,严重制约了镍基单晶高温合金在工业中的应用。为了充分发挥现有成分体系高温合金的性能潜力,本论文探究了不同固溶处理工艺对第一代单晶高温合金AM3组织的影响。通过调整固溶处理方式及参数,研究了固溶处理工艺对合金枝晶组织、γ’相、共晶组织、碳化物以及元素偏析的影响,得到以下主要结论:（1）碳含量为0.045wt.%的合金经过逐步固溶热处理后枝晶组织显著减少甚至消失,共晶组织也明显减少。均匀化处理有助于Al、Ti、Ta元素的充分扩散,提高了合金的初熔温度,但多步均匀化处理对合金初熔温度的提高作用有限。（2）在逐步固溶处理过程中,随着固溶温度的升高与固溶时间的延长,碳含量为0.045wt.%的合金中的Co、Mo、Cr、W、Al元素偏析明显降低,但热处理后形成的初熔组织使合金中Ti元素的偏析比与固溶时间未呈现规律性变化。经过斜坡固溶处理后合金残余枝...
【文章来源】：西安科技大学陕西省
【文章页数】：86 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
镍基高温合金中合金元素的分类:黄色，蓝色，红色和绿色圆圈分别代表基体元素，抗氧化元素，机械强化元素和长期稳定性元素[7]
物是中等或高Cr含量镍基高温合金在低温加工或760℃以上温度范围内长期时效形成的，亦具有面心立方结构。碳化物可通过合适的热处理工艺进行消除，分解主要有两种形式：MC+γ→M23C6+γ"和MC+γ→M6C+γ"。（5）TCP相：TCP相的析出会消耗Cr、Mo、W、Re元素，从而降低其对γ基体的增强作用。TCP相还是微裂纹的主要形核部位，对高温合金的抗蠕变性能有不利影响。1.2单晶高温合金的制备工艺1.2.1定向凝固技术的发展定向凝固技术是在金属晶体与金属熔体中建立特定方向的温度梯度，从而使熔体沿与热流相反的方向凝固，其原理如图1-2所示。图1-2定向凝固技术原理[21]Fig.1-2Schematicdiagramofdirectionalsolidificationtechnique[21]定向凝固技术的发展主要包括发热剂法（EP）、功率降低法（PD）、高速凝固法（HRS）以及液态金属冷却法（LMC）。发热剂法（EP）是第一种定向凝固技术，其原理是将合金加热到一定温度后快速放入激冷板上并立即浇铸，冒口上方覆盖有发热剂，激冷板下通过喷水进行冷却，从而在金属熔体与金属晶体中建立一个自下而上的温度梯度，实现单向凝固[22]。功率降低法（PD）是以发热剂法为标准，把金属熔体置于保温炉内，保温炉是分段加热的，其底部采用水冷激冷板，通过自下而上逐段关闭加热器的方法使金属达到自下而上逐渐凝固的目的[22]。高速凝固法（HRS）的原理是铸型加热器始终加热，在凝固过程中，铸件与加热器之间产生相对位移而实现定向凝固，在热区底部使用辐射挡板与水冷套，可以有效提高温度梯度（如图1-3a）。热量的导出主要依靠已凝固部分的热传导以及模壳向水冷炉壁的辐射散热，随着凝固过程的进行，水冷底板的作用逐渐减小，导致温度梯度
1绪论5逐渐降低[23]。液态金属冷却法（LMC）是在高速凝固法基础上使铸件通过模壳逐渐进入低熔点的冷却液中实现冷却，最主要的传热方式是模壳表面的热传导与热对流，可以显著降低铸件已凝固部分的温度，从而实现稳定的高温度梯度[24]（如图1-3b）。定向凝固技术从发热剂法（EP）到液态金属冷却法（LMC）的发展过程中，通过一步步的改进，显著提高了温度梯度，制备出组织更均匀，缺陷更少，性能更加优异的柱状晶与单晶。图1-3定向凝固装置示意图[25]Fig.1-3Directionalsolidificationprocesses:(a)HRSprocess;(b)LMCprocess[25]1.2.2单晶高温合金的制备技术在单晶高温合金的制备技术中，根据单晶的生成方式不同，主要分为籽晶法与选晶法。（1）籽晶法：籽晶法是指在模壳底部安装与所要铸造的单晶具有相同材料的籽晶，将液态金属浇入后籽晶部分发生熔化，控制固液界面前沿液体中的温度梯度与晶体生长速度，晶体就会沿着与籽晶相同的取向生长获得单晶，图1-4为从单晶切割出的籽晶示意图。籽晶法的原理是利用结构相似性，在金属液形核长大时，原子面的堆垛成为籽晶原子面堆垛的一种延续[26]。图1-4从单晶切割出的籽晶示意图[27]Fig.1-4Schematicdiagramoftheseedcrystalcutfromthesinglecrystal[27]
【参考文献】：
期刊论文
[1]Microstructure and dislocation structure evolution during creep life of Ni-based single crystal superalloys[J]. Hao Yua,Wei Xu,Sybrand van der Zwaag. Journal of Materials Science & Technology. 2020(10)
[2]热处理工艺对GH4720Li合金细晶铸锭组织与热加工性能的影响[J]. 王涛,万志鹏,李钊,李佩桓,李鑫旭,韦康,张勇. 金属学报. 2020(02)
[3]Effects of Al on microstructural stability and related stress-rupture properties of a third-generation single crystal superalloy[J]. Jingxia Sun,Jinlai Liu,Lirong Liu,Yizhou Zhou,Jinguo Li,Xiaofeng Sun. Journal of Materials Science & Technology. 2019(11)
[4]镍基单晶高温合金的研发进展[J]. 张健,王莉,王栋,谢光,卢玉章,申健,楼琅洪. 金属学报. 2019(09)
[5]块状碳化物的形态演化及对镍基合金蠕变性能的影响[J]. 田宁,田素贵,于慧臣,赵国旗,闫化锦,孟宪林,张顺科. 中国有色金属学报. 2019(07)
[6]热处理工艺对第二代镍基单晶高温合金DD5组织和性能的影响[J]. 崔仁杰,黄朝晖,管凯,秦健朝,张毅鹏. 材料热处理学报. 2019(06)
[7]Microstructure, precipitates and mechanical properties of powder bed fused inconel 718 before and after heat treatment[J]. Le Zhou,Abhishek Mehta,Brandon McWilliams,Kyu Cho,Yongho Sohn. Journal of Materials Science & Technology. 2019(06)
[8]再热恢复处理对蠕变损伤定向凝固高温合金γ′相的影响[J]. 唐文书,肖俊峰,李永君,张炯,高斯峰,南晴. 金属学报. 2019(05)
[9]Influence of solution treatment on microstructure, corrosion resistance, and oxidation behavior of cast G-NiCr28W alloy[J]. Alptekin Kisasoz. China Foundry. 2019(01)
[10]镍基单晶高温合金凝固偏析的表征方法比较[J]. 刘刚,韩振华,杨鑫. 热加工工艺. 2018(21)
博士论文
[1]第三代镍基单晶高温合金固溶处理研究及工艺优化[D]. 张琰斌.西北工业大学 2018
硕士论文
[1]微量元素B在镍基单晶高温合金中作用的研究[D]. 张洋.西安科技大学 2018
[2]一种含C镍基单晶高温合金的热处理工艺研究[D]. 翟娅楠.西安科技大学 2017
[3]一种含4%Ru的单晶镍基合金的组织与性能[D]. 蒋崇亮.沈阳工业大学 2016
本文编号：3378393
【文章来源】：西安科技大学陕西省
【文章页数】：86 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
镍基高温合金中合金元素的分类:黄色，蓝色，红色和绿色圆圈分别代表基体元素，抗氧化元素，机械强化元素和长期稳定性元素[7]
物是中等或高Cr含量镍基高温合金在低温加工或760℃以上温度范围内长期时效形成的，亦具有面心立方结构。碳化物可通过合适的热处理工艺进行消除，分解主要有两种形式：MC+γ→M23C6+γ"和MC+γ→M6C+γ"。（5）TCP相：TCP相的析出会消耗Cr、Mo、W、Re元素，从而降低其对γ基体的增强作用。TCP相还是微裂纹的主要形核部位，对高温合金的抗蠕变性能有不利影响。1.2单晶高温合金的制备工艺1.2.1定向凝固技术的发展定向凝固技术是在金属晶体与金属熔体中建立特定方向的温度梯度，从而使熔体沿与热流相反的方向凝固，其原理如图1-2所示。图1-2定向凝固技术原理[21]Fig.1-2Schematicdiagramofdirectionalsolidificationtechnique[21]定向凝固技术的发展主要包括发热剂法（EP）、功率降低法（PD）、高速凝固法（HRS）以及液态金属冷却法（LMC）。发热剂法（EP）是第一种定向凝固技术，其原理是将合金加热到一定温度后快速放入激冷板上并立即浇铸，冒口上方覆盖有发热剂，激冷板下通过喷水进行冷却，从而在金属熔体与金属晶体中建立一个自下而上的温度梯度，实现单向凝固[22]。功率降低法（PD）是以发热剂法为标准，把金属熔体置于保温炉内，保温炉是分段加热的，其底部采用水冷激冷板，通过自下而上逐段关闭加热器的方法使金属达到自下而上逐渐凝固的目的[22]。高速凝固法（HRS）的原理是铸型加热器始终加热，在凝固过程中，铸件与加热器之间产生相对位移而实现定向凝固，在热区底部使用辐射挡板与水冷套，可以有效提高温度梯度（如图1-3a）。热量的导出主要依靠已凝固部分的热传导以及模壳向水冷炉壁的辐射散热，随着凝固过程的进行，水冷底板的作用逐渐减小，导致温度梯度
1绪论5逐渐降低[23]。液态金属冷却法（LMC）是在高速凝固法基础上使铸件通过模壳逐渐进入低熔点的冷却液中实现冷却，最主要的传热方式是模壳表面的热传导与热对流，可以显著降低铸件已凝固部分的温度，从而实现稳定的高温度梯度[24]（如图1-3b）。定向凝固技术从发热剂法（EP）到液态金属冷却法（LMC）的发展过程中，通过一步步的改进，显著提高了温度梯度，制备出组织更均匀，缺陷更少，性能更加优异的柱状晶与单晶。图1-3定向凝固装置示意图[25]Fig.1-3Directionalsolidificationprocesses:(a)HRSprocess;(b)LMCprocess[25]1.2.2单晶高温合金的制备技术在单晶高温合金的制备技术中，根据单晶的生成方式不同，主要分为籽晶法与选晶法。（1）籽晶法：籽晶法是指在模壳底部安装与所要铸造的单晶具有相同材料的籽晶，将液态金属浇入后籽晶部分发生熔化，控制固液界面前沿液体中的温度梯度与晶体生长速度，晶体就会沿着与籽晶相同的取向生长获得单晶，图1-4为从单晶切割出的籽晶示意图。籽晶法的原理是利用结构相似性，在金属液形核长大时，原子面的堆垛成为籽晶原子面堆垛的一种延续[26]。图1-4从单晶切割出的籽晶示意图[27]Fig.1-4Schematicdiagramoftheseedcrystalcutfromthesinglecrystal[27]
【参考文献】：
期刊论文
[1]Microstructure and dislocation structure evolution during creep life of Ni-based single crystal superalloys[J]. Hao Yua,Wei Xu,Sybrand van der Zwaag. Journal of Materials Science & Technology. 2020(10)
[2]热处理工艺对GH4720Li合金细晶铸锭组织与热加工性能的影响[J]. 王涛,万志鹏,李钊,李佩桓,李鑫旭,韦康,张勇. 金属学报. 2020(02)
[3]Effects of Al on microstructural stability and related stress-rupture properties of a third-generation single crystal superalloy[J]. Jingxia Sun,Jinlai Liu,Lirong Liu,Yizhou Zhou,Jinguo Li,Xiaofeng Sun. Journal of Materials Science & Technology. 2019(11)
[4]镍基单晶高温合金的研发进展[J]. 张健,王莉,王栋,谢光,卢玉章,申健,楼琅洪. 金属学报. 2019(09)
[5]块状碳化物的形态演化及对镍基合金蠕变性能的影响[J]. 田宁,田素贵,于慧臣,赵国旗,闫化锦,孟宪林,张顺科. 中国有色金属学报. 2019(07)
[6]热处理工艺对第二代镍基单晶高温合金DD5组织和性能的影响[J]. 崔仁杰,黄朝晖,管凯,秦健朝,张毅鹏. 材料热处理学报. 2019(06)
[7]Microstructure, precipitates and mechanical properties of powder bed fused inconel 718 before and after heat treatment[J]. Le Zhou,Abhishek Mehta,Brandon McWilliams,Kyu Cho,Yongho Sohn. Journal of Materials Science & Technology. 2019(06)
[8]再热恢复处理对蠕变损伤定向凝固高温合金γ′相的影响[J]. 唐文书,肖俊峰,李永君,张炯,高斯峰,南晴. 金属学报. 2019(05)
[9]Influence of solution treatment on microstructure, corrosion resistance, and oxidation behavior of cast G-NiCr28W alloy[J]. Alptekin Kisasoz. China Foundry. 2019(01)
[10]镍基单晶高温合金凝固偏析的表征方法比较[J]. 刘刚,韩振华,杨鑫. 热加工工艺. 2018(21)
博士论文
[1]第三代镍基单晶高温合金固溶处理研究及工艺优化[D]. 张琰斌.西北工业大学 2018
硕士论文
[1]微量元素B在镍基单晶高温合金中作用的研究[D]. 张洋.西安科技大学 2018
[2]一种含C镍基单晶高温合金的热处理工艺研究[D]. 翟娅楠.西安科技大学 2017
[3]一种含4%Ru的单晶镍基合金的组织与性能[D]. 蒋崇亮.沈阳工业大学 2016
本文编号：3378393
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