变形高温合金GH4706组织控制与力学性能优化

发布时间：2017-09-16 18:06

  本文关键词：变形高温合金GH4706组织控制与力学性能优化

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【摘要】：GH4706合金是一种Fe-Ni基变形高温合金,具有低偏析、可锻及低成本的优点,适合于制备大型涡轮盘锻件。超大型GH4706合金涡轮盘锻件为当代F级重型工业燃气轮机的关键热端部件,为当今世界上尺寸最大的变形高温合金涡轮盘锻件,直径超过2000mm、重量超过5t。在国内现有冶炼、开坯与锻造设备的基础上,超大型GH4706合金涡轮盘锻件国产化的每一个环节均面临着设备能力的极限挑战。为了解决其载荷精确预测、组织控制与由尺寸扩大化引起的力学性能衰减问题,本文重点研究了GH4706合金的热变形行为、显微组织演化规律、及微量元素P、B与热处理工艺参数优化,为合金锻造成型及组织性能控制提供理论依据。研究表明,GH4706合金的真应力-真应变曲线呈现出流变软化特征,本构关系可由双曲正弦函数描述,在变形温度为900℃-1150℃、应变速率为0.001s-1～1s-1条件下平均变形激活能为435.36kJ/mol,应力指数为4.13。基于本构关系构建的GH4706合金数据库,利用有限元分析可精确预测直径2000mm以上超大型GH4706合金涡轮盘的锻造载荷,结合热加工图可以优化其热加工工艺。热加工图能够反应变形温度与应变速率对GH4706合金热变形过程中变形机制与显微组织的影响规律,1nZ值可用于定量描述上述参数的影响。结果表明,在高应变速率下变形温度低于950℃时,热加工图中功率耗散系数η值小于0.23,表现为合金变形易发生局部流变失稳；在低应变速率下,变形温度为940℃-970℃与1040℃-1140℃范围内功率耗散系数η值存在两个峰值区,峰值分别为0.32与0.35,对应着合金的两种动态再结晶机制。当合金在1nZ值小于36条件下变形时易形成异常晶粒组织,不利于合金的持久性能,其形成原因是合金的动态再结晶机制转变为亚晶转动机制。由此,GH4706合金的热加工工艺应尽量降低变形温度、提高应变速率。通过设计双锥热压缩试验,研究了连续应变分布下GH4706合金的动态再结晶与η相的交互作用。结果表明,合金动态再结晶机制为应变诱导原始晶界不连续弓出机制,动态再结晶临界温度TDRx为975℃。变形温度低于TDRx时,合金发生动态再结晶源于变形升温。高于为RX变形,合金热处理后的晶粒尺寸取决于变形温度,与变形量无关；低于TDRX变形,热处理后的晶粒尺寸与变形温度关系不大,随变形量增大而减小。略低于TDRx变形,由于合金中仍有部分η相残留,可以充分利用其对亚晶界或晶界的钉扎作用,增大变形量细化合金晶粒。通过加入适量P、B含量能够在不损失合金拉伸与冲击性能的基础上显著提高持久性能,持久寿命可提高200%左右,为超大型合金涡轮盘锻件力学性能优化提供了新的方法。研究了热处理制度、固溶处理工艺参数、稳化处理时间对合金显微组织与力学性能的影响。结果表明,大型涡轮盘锻件用GH4706合金热处理后的主要析出相为γ'相、γ'-γ"共析出相与η相；考虑上述析出相对合金室温或高温下拉伸、冲击与持久等力学性能的影响,建议GH4706合金的固溶处理工艺为980℃固溶后缓冷,稳化处理时间控制在1-3h。
【关键词】：变形高温合金GH4706 热变形行为 本构关系 热加工图 动态再结晶 组织与性能控制
【学位授予单位】：东北大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG132.3
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 第1章 绪论13-37
• 1.1 国内外变形高温合金的发展13-24
• 1.1.1 国内外变形高温合金的发展趋势13-15
• 1.1.2 涡轮盘用变形高温合金技术的发展15-24
• 1.2 涡轮盘用变形高温合金在工业燃气轮机中的应用24-28
• 1.2.1 国内外燃气轮机技术的发展24-26
• 1.2.2 工业燃气轮机用超大型涡轮盘材料的发展26-28
• 1.3 当代重型工业燃气轮机用超大型GH4706合金涡轮盘的发展28-35
• 1.3.1 GH4706合金制备超大型涡轮盘锻件的适用性28-30
• 1.3.2 超大型GH4706合金涡轮盘锻件的热加工制备工艺特点30-32
• 1.3.3 极限制造——我国超大型GH4706合金涡轮盘锻件的研究现状32-35
• 1.4 本文的研究内容与意义35-37
• 第2章 试验材料及分析测试方法37-43
• 2.1 试验材料37-41
• 2.2 分析测试方法41-43
• 2.2.1 合金显微组织、结构的表征与分析41-42
• 2.2.2 力学性能测试42-43
• 第3章 GH4706的本构关系及其在超大型涡轮盘锻造成型中的应用43-61
• 3.1 引言43
• 3.2 研究方法43
• 3.3 试验结果与讨论43-58
• 3.3.1 真应力-真应变曲线43-46
• 3.3.2 本构关系与热加工图46-52
• 3.3.3 数值模拟在超大型GH4706合金涡轮盘锻造中的应用52-58
• 3.4 本章小结58-61
• 第4章 热变形参数对GH4706合金显微组织的影响61-81
• 4.1 引言61
• 4.2 热变形参数对显微组织的影响规律61-65
• 4.2.1 热变形后的典型显微组织61-63
• 4.2.2 显微组织与热加工图的关系63-65
• 4.3 热变形参数对动态再结晶机制的影响65-75
• 4.3.1 动态再结晶分数、取向差分布与孪晶界的关系65-68
• 4.3.2 动态再结晶织构与Taylor因子68-72
• 4.3.3 动态再结晶机制分析72-75
• 4.4 超大型涡轮盘制备过程中的异常晶粒组织控制75-80
• 4.4.1 异常晶粒组织的成因与规律75-76
• 4.4.2 异常晶粒组织的控制76-80
• 4.5 本章小结80-81
• 第5章 GH4706合金动态再结晶临界条件与组织控制81-93
• 5.1 引言81
• 5.2 试验方法81-83
• 5.3 试验结果与讨论83-92
• 5.3.1 双锥压缩试样的组织83-85
• 5.3.2 动态再结晶临界条件的确定85-88
• 5.3.3 η相对晶粒控制的影响88-92
• 5.4 本章小结92-93
• 第6章 GH4706合金的组织性能优化93-121
• 6.1 微量元素P、B含量改善持久性能93-101
• 6.1.1 研究方法93-94
• 6.1.2 P、B元素含量对力学性能的影响94-96
• 6.1.3 P、B元素含量对断口形貌的影响96-99
• 6.1.4 P、B元素对持久性能的作用机制分析99-101
• 6.2 热处理制度对合金组织性能的影响101-107
• 6.2.1 研究方法101
• 6.2.2 热处理制度对显微组织的影响101-103
• 6.2.3 热处理制度对力学性能的影响103-104
• 6.2.4 大规格GH4706合金棒坯的力学性能优化104-107
• 6.3 大型涡轮盘锻件的固溶处理工艺参数优化107-112
• 6.3.1 研究方法107
• 6.3.2 固溶处理工艺参数对显微组织的影响107-110
• 6.3.3 固溶处理工艺参数对力学性能的影响110-112
• 6.4 大型涡轮盘锻件的稳化处理时间优化112-120
• 6.4.1 研究方法113
• 6.4.2 稳化处理时间对显微组织的影响113-116
• 6.4.3 稳化处理时间对力学性能的影响116-120
• 6.5 本章小结120-121
• 第7章 结论121-123
• 参考文献123-137
• 创新点137-139
• 研究工作展望139-141
• 在学期间发表论文目录141-143
• 致谢143

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本文编号：864592