粉末高温合金中非金属夹杂物的遗传特征及损伤力学行为研究

论文摘要

本文研究了三种典型非金属夹杂物（Al2O3、SiO2及两者的混合物）在两种广泛应用的粉末高温合金（FGH95和FGH96）中的遗传特征,并从实验和计算机模拟两方面研究了非金属夹杂物对基体材料损伤力学行为的影响,并提出了改善合金中非金属夹杂物的措施。研究结果表明,三种夹杂物在FGH96合金中经不同工艺状态后,表现出了不同的行为特征:Al2O3由于其较高的硬度和热稳定性,在整个工艺过程中,形状、尺寸和成分等都没发生变化;而SiO2经热等静压后,与合金中的Al和Ti等元素发生了反应,改变了基体/夹杂物之间的界面结合方式,影响了SiO2周围基体中γ′相的数量和尺寸,形成贫γ′相区;Al2O3和SiO2与合金粉末混合后,在热等静压（HIP）过程中,在高温、高压同时作用下,两种非金属夹杂物之间发生了化学反应,生成另外一种非金属夹杂物—莫来石。莫来石在高温下可能发生软化,在周围球形粉末颗粒的挤压下变形,界面呈圆弧状,形成尖锐的棱角。该种夹杂物也与基体之间发生了化学作用,表现出了与SiO2相似的行为特征,但反应区的作用范围较窄。由于三种夹杂物与基本材料在热膨胀系数方面的差异,经淬火（油淬或盐淬）处理后,界面处易于萌生微裂纹。时效处理对两种反应型夹杂的影响不大。在等温锻造过程中,由于以上行为特征的差异性,使Al2O3完全被破碎,呈“链状”分布于基体中;SiO2在其周围塑性区的缓冲下,发生局部断裂;而莫来石因其在高温时的软化,呈“薄膜状”分布。尽管FGH95和FGH96合金在成分及热工艺制度方面存在着一定的差异,三种夹杂物在合金处理的各工艺过程中表现出了相同的行为特征。基于镍基粉末高温合金在成分种类方面的相似性,可将三种夹杂物在上述两种合金中的遗传特性推广应用到所有镍基粉末高温合金中。在原位拉伸和原位疲劳实验中,夹杂物处是裂纹萌生的择优位置。裂纹萌生方式分为两种:夹杂物本身开裂和基体/夹杂界面开裂,通常为基体/界面开裂。扩展初期,裂纹在夹杂物尖角应力集中处沿与主应力成45o向基体中扩展,之后沿与最大正应力垂直的方向扩展至断裂。由于SiO2和莫来石与基体之间的化学作用,改变了其周围基体的塑性,使断口表现出了特定的行为特征。夹杂物对基体力学性能的影响是很复杂的,主要取决于其位置和尺寸。在同一位置,夹杂物的尺寸越小,或同一尺寸,夹杂物距表面的距离越远,都会降低夹杂物对基体材料的危害性。用计算机模拟了夹杂物对基体材料损伤力学行为的影响。当夹杂物的形状,位置及取向等发生变化时,夹杂周围的应力场分布情况会发生相应的变化,尤其在疲劳过程中,夹杂物周围的应力场会随加载历程的不同而出现周期性变化。为提高模拟结果的准确性,应引入夹杂物的特性参数,除形状和位置外,还应考虑夹杂物在不同温度时的变形性及自身相变引起的体积变化等。合金中的实际夹杂物主要来源于母合金及其熔炼与雾化制粉过程,主要为Al、Si、Ti、Mg和Ca的氧化物。人工加入的三种非金属陶瓷夹杂物与合金中的实际夹杂物相比,具有一定的代表性,所表现出的遗传特征涵盖了合金中各夹杂物的基本特性。针对夹杂物的来源及与合金粉末的不同特点,提出了粉末高温合金盘件制备各工艺环节中夹杂物的控制措施及鉴别方法。根据各夹杂物在合金中的遗传特性,结合计算机数值模拟技术,并对模拟结果进行验证,以指导合金中夹杂类损伤容限的确定。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 粉末高温合金的发展
• 1.1.1 国外粉末高温合金的发展
• 1.1.2 我国粉末高温合金的发展
• 1.2 缺陷对粉末高温合金发展的影响
• 1.3 雾化制粉方法对颗粒组织和纯净度的影响
• 1.4 非金属夹杂物的分析方法
• 1.5 合金中夹杂物的来源及其遗传特征
• 1.6 夹杂物对基体力学性能的影响
• 1.7 夹杂物对力学性能影响的数值模拟
• 1.8 数值模拟过程中的几个问题
• 1.8.1 尺寸效应对模拟精度的影响
• 1.8.2 小裂纹问题
• 1.8.3 高温氧化问题
• 1.9 合金中夹杂物问题与损伤力学特性分析
• 1.10 采用损伤力学的意义及其研究方法
• 1.11 本课题的研究内容、目的和意义
• 第二章 FGH96 合金中夹杂物的遗传特征
• 2.1 实验材料
• 2.2 实验方案
• 2.3 实验结果及分析
• 2O₃ 的遗传特征'>2.3.1 Al₂O₃的遗传特征
• 2O₃ 颗粒的基本特征'>2.3.1.1 Al₂O₃颗粒的基本特征
• 2O₃ 的行为特征'>2.3.1.2 热等静压态Al₂O₃的行为特征
• 2O₃ 的行为特征'>2.3.1.3 固溶处理态Al₂O₃的行为特征
• 2O₃ 的行为特征'>2.3.1.4 时效态Al₂O₃的行为特征
• 2O₃ 的行为特征'>2.3.1.5 等温锻造态Al₂O₃的行为特征
• 2 的遗传特征'>2.3.2 SiO₂的遗传特征
• 2 颗粒的基本特征'>2.3.2.1 SiO₂颗粒的基本特征
• 2 的行为特征'>2.3.2.2 热等静压态SiO₂的行为特征
• 2 的行为特征'>2.3.2.3 固溶处理态SiO₂的行为特征
• 2 的行为特征'>2.3.2.4 时效处理态SiO₂的行为特征
• 2 的行为特征'>2.3.2.5 等温锻造态SiO₂的行为特征
• 2.3.3 混合夹杂物的遗传特征
• 2.3.3.1 热等静压态混合夹杂物的行为特征
• 2.3.3.2 固溶处理及时效态莫来石的行为特征
• 2.3.3.3 等温锻造态莫来石的行为特征
• 2.4 显微硬度测定
• 2.5 本章小结
• 第三章 FGH95 合金中夹杂物的遗传特征
• 3.1 实验材料
• 3.2 实验方案
• 3.3 实验结果及分析
• 2O₃ 的遗传特征'>3.3.1 Al₂O₃的遗传特征
• 2 的遗传特征'>3.3.2 SiO₂的遗传特征
• 3.3.3 莫来石的遗传特征
• 3.4 夹杂物在FGH95 和FGH96 合金中的遗传特征比较
• 3.5 本章小结
• 第四章 夹杂物对FGH95 合金损伤力学行为的影响
• 4.1 实验原理与试样制备
• 4.2 夹杂物对裂纹萌生方式的影响
• 4.2.1 拉伸载荷下裂纹萌生和扩展
• 2 在原位拉伸过程中的行为'>4.2.1.1 大尺寸SiO₂在原位拉伸过程中的行为
• 2 在原位拉伸过程中的行为'>4.2.1.2 小尺寸SiO₂在原位拉伸过程中的行为
• 4.2.1.3 莫来石在原位拉伸过程中的行为
• 4.2.2 疲劳载荷下裂纹萌生和扩展
• 2 在原位疲劳过程中的行为'>4.2.2.1 SiO₂在原位疲劳过程中的行为
• 4.2.2.2 莫来石在原位疲劳过程中的行为
• 4.3 夹杂物致裂纹萌生和扩展规律的讨论
• 4.3.1 夹杂物致裂纹萌生模式
• 4.3.2 夹杂物位置和尺寸对疲劳性能的影响
• 4.3.3 夹杂物对裂纹扩展所需临界应力的影响
• 4.4 本章小结
• 第五章 夹杂物对基体损伤力学行为影响的数值模拟
• 5.1 有限元分析的基本求解过程及模型的建立
• 5.1.1 线弹性有限元法的基本分析过程
• 5.1.2 非线性有限元法的基本分析过程
• 5.1.3 模拟软件简介
• 5.2 模拟结果及分析
• 5.2.1 有限元模型的建立
• 5.2.2 夹杂物在拉伸载荷下的应力响应
• 5.2.3 夹杂物在疲劳载荷下的应力响应
• 5.2.4 夹杂物形状对疲劳载荷下应力场分布的影响
• 5.2.5 夹杂物位于表面时对疲劳载荷下应力场分布的影响
• 5.3 本章小结
• 第六章 合金中的实际夹杂物及其控制措施探讨
• 6.1 合金中的实际夹杂物
• 6.2 夹杂物控制措施探讨
• 6.2.1 母合金纯净熔炼技术的应用
• 6.2.1.1 感应熔炼过滤技术的应用
• 6.2.1.2 电渣重熔和电子束重熔技术的应用
• 6.2.2 雾化制粉过程中纯净度与粒度控制技术
• 6.2.3 粉末中夹杂物的去除与检测技术
• 6.2.4 合金变形过程工艺控制
• 6.2.5 夹杂容限的数值模拟与验证
• 6.3 本章小结
• 第七章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 博士期间发表的文章