论文摘要
DZ40M合金是我国自行研制的一种定向凝固钻基高温合金。DZ40M合金作为导向叶片材料,在铸造过程中的铸造应力、在服役之前的表面喷丸、校形、抛光、磨削和在服役过程中承受一定的应力等,均可能使合金在服役过程中出现再结晶现象。再结晶的出现将形成大量的横向晶界,这些横向晶界将是裂纹产生和扩展的有利位置,由此,使得定向凝固材料的高温力学性能和疲劳性能大为降低。以往的研究多是以镍基高温合金的再结晶行为为主要的研究对象,对定向凝固钴基高温合金再结晶行为的研究很少,因此,本文以DZ40M为研究对象,通过对其再结晶行为的分析归纳,以期为控制DZ40M合金再结晶提供依据。本文通过压痕、压缩变形、喷丸处理和退火热处理模拟导向叶片的服役环境,考察DZ40M合金的再结晶行为,分析再结晶晶粒的形核位置、长大方式和碳化物与再结晶行为的交互作用；同时分析了DZ40M合金再结晶的热力学和动力学特征。借助疲劳性能测试,考察再结晶行为对DZ40M合金疲劳性能的影响及机理。通过压痕的方法使合金产生局部变形,观察分析变形合金退火后的再结晶过程,总结DZ40M合金的再结晶唯象行为。结果表明,合金中的再结晶晶粒主要出现在初生碳化物周围和枝晶间位置。压痕底部再结晶深度和再结晶晶粒尺寸随退火温度的升高而增大,当温度高于1473K时,再结晶形核和晶粒长大所受的的阻力明显降低,再结晶深度和晶粒尺寸增大趋势明显。控制合金使用过程中热端部位的温度是抑制合金再结晶的关键。经压缩变形DZ40M的合金,其再结晶晶粒易于在粗大的初生碳化物周围形核,尤其是在一次枝晶与二次枝晶的交连处。再结晶晶粒的长大由于受到枝晶的约束,其择优沿着阻碍小的方向,向基体中长大,并且再结晶晶界可以突破溶断的枝晶碳化物而继续向前推进。当两个晶粒取向相同或者相近的再结晶晶粒长大至相遇时,通过晶粒合并,形成大尺寸再结晶晶粒。压缩变形DZ40M合金在1473K退火保温时,随压缩变形量的增加,再结晶开始的时间急剧缩短,再结晶终止后再结晶区域的面积百分比增大。压缩变形DZ40M合金的再结晶动力学符合JMAK方程。研究了喷丸处理对DZ40M合金再结晶行为的影响。DZ40M合金经表面喷丸处理后表面的残余应力比铸态下增加了30%左右,表面喷丸影响层厚度约为150μm。喷丸处理后的合金在退火过程中再结晶晶粒在喷丸引起的表面塑性变形层形核、向内部长大,在合金表面形成一层再结晶层。合金经823K保温5h的消除应力退火后,合金表面的残余应力应力明显松弛,喷丸产生的硬化程度减弱,可以减缓合金的再结晶进程。DZ40M合金中的碳化物是影响合金再结晶行为的重要因素。合金中的初生碳化物周围是再结晶晶粒形核的主要位置,二次碳化物M23C6能够抑制再结晶晶粒在初生碳化物附近形核。再结晶晶界的迁移过程中,合金中大多数M23C6可以有效地钉扎再结晶晶界,阻碍晶粒的长大。在1323-1523K的温度范围内,DZ40M合金M23C6的含量随温度的升高而减少。合金在低于1423K的温度下服役时,M23C6的析出行为在再结晶开始前出现,析出的同时伴随再结晶的发生,且此时合金中M23C6的析出数量较多,尺寸小且间距小,这样可以有效地抑制合金的再结晶形核与长大。研究了再结晶对DZ40M合金低周疲劳性能的影响。DZ40M合金的低周疲劳裂纹在已再结晶的试样表面萌生,试样表面的初生碳化物和再结晶晶界均可作为裂纹源。再结晶晶界的出现增加了疲劳裂纹萌生的几率。再结晶晶界的产生为裂纹的扩展提供了便捷通道,疲劳裂纹可以沿晶界和孪晶界扩展,加速了裂纹的扩展,导致合金的早期疲劳失效、合金的低周疲劳性能降低。研究了电场退火对DZ40M合金再结晶行为的影响。结果表明,电场退火能够抑制合金的再结晶形核。DZ40M合金在1383K的退火时,电场退火对再结晶晶粒长大的影响较小。电场退火能够降低DZ40M合金中M23C6的析出数量,进而降低再结晶晶粒长大过程中所受的阻力。借助电场退火抑制DZ40M合金的再结晶时,退火温度建议低于1423K,以保证合金中M23C6的析出数量较多,尺寸和间距小。当电场的施加方向为纵向时,电场退火对DZ40M合金的再结晶的抑制作用较显著,且再结晶晶粒的取向变化较小。
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摘要Abstract目录第1章 绪论1.1 钴基高温合金1.1.1 钴基高温合金的发展1.1.2 钴基高温合金中合金元素的作用1.1.3 钴基高温合金的显微组织1.1.4 钴基高温合金的强化机理1.2 定向凝固技术在钴基高温合金中的应用1.2.1 定向凝固原理1.2.2 定向凝固高温合金的技术发展1.2.3 定向凝固高温合金的基本特点1.2.4 定向凝固高温合金常见的缺陷1.3 定向凝固钴基高温合金DZ40M1.3.1 DZ40M合金的特点1.3.2 DZ40M合金存在的问题1.4 定向凝固高温合金的再结晶及其基本特点1.4.1 金属材料的再结晶及晶粒长大1.4.2 影响再结晶的主要因素1.4.3 定向凝固高温合金再结晶的基本特点1.5 喷丸强化技术与材料的疲劳1.5.1 喷丸的特点及工业应用1.5.2 材料的疲劳1.5.3 喷丸强化与合金的疲劳性能1.6 本文的研究目的、意义和内容参考文献第2章 试验材料及其特点2.1 DZ40M合金的制备2.2 DZ40M合金的显微组织2.2.1 实验方法2.2.2 合金的铸态显微组织2.2.3 合金中的碳化物2.3 本章小结参考文献第3章 DZ40M合金再结晶行为的压痕法研究3.1 研究方法3.2 DZ40M合金的再结晶组织特征3.2.1 再结晶组织形貌3.2.2 再结晶组织的取向成像分析3.3 DZ40M合金的再结晶形核与长大3.3.1 再结晶的形核位置3.3.2 再结晶晶粒的长大3.4 退火温度对DZ40M合金再结晶的影响3.4.1 退火温度对再结晶形核率的影响3.4.2 退火温度对再结晶晶粒长大的影响3.5 DZ40M合金再结晶临界温度的确定3.6 本章小结参考文献第4章 压缩变形DZ40M合金的再结晶行为4.1 研究方法4.2 压缩变形DZ40M合金再结晶形核与长大规律4.2.1 压缩变形DZ40M合金再结晶形核位置4.2.2 压缩变形DZ40M合金再结晶晶粒的长大4.3 2%压缩变形DZ40M合金的再结晶4.3.1 2%压缩变形DZ40M合金的再结晶组织4.3.2 2%压缩变形DZ40M合金的再结晶晶粒取向4.4 压缩变形量对DZ40M合金再结晶的影响4.4.1 DZ40M合金在不同变形量下的再结晶等温动力学特征4.4.2 压缩变形量对DZ40M合金再结晶的影响4.5 压缩变形量DZ40M合金的再结晶动力学4.5.1 压缩变形DZ40M合金再结晶的动力学特征4.5.2 压缩变形DZ40M合金再结晶的动力学方程描述4.5.3 压缩变形DZ40M合金的再结晶激活能4.6 本章小结参考文献第5章 表面喷丸对DZ40M合金再结晶行为的影响5.1 研究方法5.1.1 试样制备5.1.2 表面残余应力测量5.1.3 退火处理5.1.4 组织观察及显微硬度测量5.2 表面喷丸对DZ40M合金表面残余应力的影响5.3 表面喷丸的影响层深度5.4 表面喷丸对DZ40M合金再结晶行为的影响5.5 DZ40M合金表面喷丸后的再结晶热力学和动力学5.6 本章小结参考文献第6章 DZ40M合金中碳化物与再结晶的交互作用6.1 研究方法6.2 DZ40M合金中的碳化物6.3 碳化物对DZ40M合金再结晶的影响6.3.1 碳化物对再结晶形核的影响6.3.2 碳化物对再结晶晶粒长大的影响23C6的析出与再结晶过程的交互作用'>6.4 M23C6的析出与再结晶过程的交互作用23C6的析出数量和尺寸对再结晶的影响'>6.5 M23C6的析出数量和尺寸对再结晶的影响23C6的偏聚对再结晶的影响'>6.6 M23C6的偏聚对再结晶的影响6.7 本章小结参考文献第7章 再结晶对DZ40M合金低周疲劳性能的影响7.1 研究方法7.1.1 试样制备7.1.2 疲劳与拉伸性能测试7.2 再结晶对DZ40M合金低周疲劳性能的影响7.3 再结晶对DZ40M合金低周疲劳行为的影响7.3.1 疲劳断口特征7.3.2 再结晶对DZ40M合金低周疲劳裂纹萌生的影响7.3.3 再结晶对DZ40M合金低周疲劳裂纹扩展行为的影响7.4 本章小结参考文献第8章 电场退火对DZ40M合金再结晶的影响8.1 研究方法8.2 电场退火对DZ40M合金再结晶形核的影响8.3 电场退火对DZ40M合金再结晶晶粒长大的影响8.4 电场施加方向对DZ40M合金再结晶的影响8.5 本章小结参考文献第9章 结论创新点致谢博士在学期间发表的学术论文附录
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