汽轮机用GH80A合金的组织稳定性与动态再结晶行为研究

论文摘要

GH80A合金是以Ni-Cr为基体的高温合金,通过添加一定量的Al、Ti,并进行时效处理,形成??强化相获得强化,同时由于加入了微量B元素使晶界也得到了极大的强化。为了加快该合金在超超临界发电机组的使用,迫切要求自行掌握该钢种的性能数据和组织演化,以便更安全的使用。本文采用热力学计算、高分辨扫描电镜、综合相分析、力学性能测试等多种手段的综合分析方法,研究了GH80A合金的基本组织,不同热处理制度下强化相的析出规律以及高温长期时效后组织的稳定性;此外还利用热模拟机（Gleeble-3500）对GH80A合金锻造工艺进行模拟,分析GH80A合金动态再结晶机制及晶粒长大动力学,双重晶粒度的组织特性分析及对材料性能的影响。结果发现:热处理制度的研究得出GH80A合金较佳固溶温度为1080℃,845℃/24h/AC+700℃/16h/AC的两段时效处理使合金中析出大小两种尺寸?′相,两种尺寸?′相的配合有利于获得良好的综合性能。微观组织观察和化学相分析表明,标准热处理态的GH80A合金中,细小的?′相粒子均匀分布在γ基体中,?′相的平均尺寸约为50nm。颗粒状M7C3和M23C6碳化物粒子在晶界以不连续状态析出。其中?′相含量为17.713%,M7C3和M23C6的总量为0.636%,此外还有少量MC碳化物。热力学相计算表明GH80A合金中的主要平衡析出相为?′相和MC,M7C3,M23C6三种碳化物,没有TCP有害相的存在。随着Al、Ti含量的增加,?′相的析出量和析出温度均有显著增加;C含量的增加会显著提高MC, M7C3, M23C6三种碳化物的析出量,但对M7C3和M23C6析出温度的影响不大,而C含量的增加会显著提高MC的开始析出温度,增加MC的液析能力。合金在不同温度（550～750℃）下长期时效处理（200～5000h）后的组织稳定性研究得出,GH80A合金在550℃长期时效过程中,晶内γ’相大小基本不变,组织非常稳定。从600℃,650℃和700℃时效1000h的组织来看,合金的组织亦比较稳定。750℃高温时效时,随着时效时间的延长,γ’相数量逐步减少,尺寸增加,γ’相的形貌由球形向方形转变。锻造工艺加工的GH80A中存有复杂晶粒度结构。大的变形量与高的变形温度有利于形成均匀的晶粒结构。相同变形量时,高的变形温度,也更有利于形成均匀的晶粒结构,变形温度越高,得到的DRX晶粒度越大。相同变形温度时,大的变形量更有利于形成均匀的晶粒结构,变形量越大,得到的DRX晶粒度越细小。变形速率越大,再结晶晶粒也越细小。通过对动态再结晶机制的研究得出,在1000℃以上的变形温度下,动态再结晶是以原始晶界弓出形核,表现为非连续动态再结晶;而在950℃时,动态再结晶是以亚晶旋转形核,表现为连续动态再结晶。由此得到的均匀组织的最小晶粒尺寸为4μm （1000℃,变形速率为1s-1）;而950℃下可得到2.3μm的再结晶晶粒尺寸,但是为不均匀的组织。不同原始组织750℃,310MPa条件下的持久蠕变显示,平均晶粒度越大,蠕变及持久性能越好;而组织越均匀,持久时间越长,实验结果波动也较小。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 超超临界机组的发展历程
• 1.2.1 电力行业背景
• 1.2.2 早期超超临界机组中的材料问题
• 1.2.3 新型高温材料的改进
• 1.2.4 国外超超临界机组材料的发展过程
• 1.2.5 国内对超超临界机组材料的研究现状
• 1.3 高温合金材料概述
• 1.3.1 高温合金材料分类、成分及组织结构
• 1.3.2 高温合金材料牌号
• 1.4 镍基高温合金简介
• 1.4.1 镍基高温合金的发展和用途
• 1.4.2 镍基高温合金的强化机理
• 1.4.3 镍基高温合金的长期组织稳定性
• 1.5 GH80A 合金简介
• 1.5.1 GH80A 合金的特点
• 1.5.2 GH80A 合金中的显微组织
• 1.5.3 GH80A 的热加工
• 1.6 本课题研究目的及意义
• 参考文献
• 第二章 热处理工艺评估
• 2.1 引言
• 2.2 材料制备、表征及实验方法
• 2.2.1 材料制备
• 2.2.2 实验及分析方法
• 2.3 析出相理论计算
• 2.3.1 热力学平衡相
• 2.3.2 合金元素对平衡相析出规律的影响
• 2.4 标准热处理态的综合相分析
• 2.5 不同热处理制度下的组织
• 2.5.1 固溶温度的选择
• 2.5.2 不同冷却制度下的组织
• 2.5.3 不同时效制度下的合金组织
• 2.6 小结
• 参考文献
• 第三章 高温时效后的组织演变
• 3.1 引言
• 3.2 材料制备及实验方法
• 3.3 晶界颗粒相的稳定性
• 3.4 晶内弥散析出γ'强化相的稳定性
• 3.5 ?′相长大规律研究
• 3.6 本章小结
• 参考文献
• 第四章 双重晶粒度的产生及影响
• 4.1 引言
• 4.2 材料制备、表征及实验方法
• 4.2.1 锻造工艺性能模拟实验方法
• 4.2.2 动态再结晶实验方法
• 4.2.3 晶粒长大动力学实验方法
• 4.3 锻造工艺性能模拟实验结果及分析
• 4.3.1 真应力真应变曲线
• 4.3.2 稳态流变应力和再结晶晶粒尺寸之间的关系
• 4.3.3 变形动力学分析
• 4.4 动态再结晶实验结果及分析
• 4.4.1 再结晶过程中组织演变规律
• 4.4.2 再结晶组织演变规律总结
• 4.4.3 动态再结晶机制
• 4.5 晶粒长大动力学实验结果及分析
• 4.5.1 晶粒长大与温度时间的关系
• 4.5.2 异常晶粒长大分析
• 4.6 双重晶粒度组织
• 4.6.1 不同晶粒度组织的持久性能分析
• 4.6.2 不同晶粒度组织的蠕变性能分析
• 4.7 本章小结
• 参考文献
• 第五章 结论
• 致谢
• 攻读工程硕士学位期间已发表或录用的论文