一种镍基单晶高温合金的组织与性能

论文摘要

单晶高温合金的高强度是多种强化机制和多种元素共同作用的结果。因此，单晶合金成分、工艺的改变对合金的组织与力学性能的关系的影响是一个较为复杂的问题。本文工作选用采用液态金属冷却定向凝固技术（LMC）制备的一种低成本无铼镍基单晶高温合金（DD265），该合金具有高强度、低成本、低密度和铸态直接使用的特点。主要研究内容包括：LMC法制备单晶铸件工艺研究；单晶合金的拉伸性能；单晶合金的持久性能和蠕变性能；长期时效对单晶合金组织与性能的影响等。液态金属冷却定向凝固过程中，增加选晶器起晶段激冷层晶粒数量是控制单晶取向的有效方法；型壳温度一定时，随着抽拉速率的增加合金组织细化，一次枝晶间距降低，共晶含量降低，型壳温度升高这种变化趋势更加明显；工艺参数对合金持久性能的影响不大，但是对室温拉伸性能影响较大。LMC工艺可以有效细化合金组织，采用LMC工艺制备的DD265单晶合金一次枝晶间距相对HRS工艺制备的合金缩小近1倍，共晶和碳化物尺寸为HRS工艺的一半，并且DD265合金的初熔温度升高。LMC工艺制备的合金最高固溶温度和处理时间都低于HRS工艺制备的合金。固溶处理过程中，LMC工艺制备的合金中铸态MC型碳化物全部发生溶解，而HRS工艺制备的合金中碳化物只有少量发生溶解。这是由于LMC工艺可以有效的降低显微偏析和减小碳化物尺寸所引起的。对LMC法制备的DD265单晶合金的拉伸性能研究发现，合金的屈服强度与抗拉强度随温度的变化规律一致，首先随着温度的升高略有降低，450℃后开始升高，在600℃达到最大值，然后缓慢下降，850℃后屈服强度与抗拉强度随着温度升高迅速下降。延伸率与断面收缩率随温度的变化规律也基本相同，但是变化趋势与强度正好相反。DD265单晶合金的持久强度与典型第一代单晶合金相当。同一温度下蠕变曲线的形状相似，不同温度下存在差异。低温区蠕变可以发现明显的蠕变三个阶段；高温区表现出明显的蠕变稳态和蠕变加速阶段。同时，本文从位错运动角度深入分析了不同温度蠕变过程。合金在975°C/255MPa的持久性能从大到小的顺序为：[11]>靠近[001]-[11]边界>[001]>靠近[001]-[011]边界>[011]。（111）[01]滑移系的Schmidt因子和取向旋转对不同取向单晶高温合金975°C/255MPa持久性能有很大影响。DD265合金在900℃和1000℃条件下经过2000小时时效处理，合金内部没有发现TCP相。900℃条件下，单晶合金的室温拉伸强度和屈服强度随着时效处理时间的延长，表现为先降低，再升高，最后再降低的趋势。在1000℃条件下，抗拉强度和屈服强度呈下降趋势；持久性能的变化规律与室温拉伸性能相似。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 高温合金概述
• 1.1.1 镍基高温合金
• 1.1.2 高温合金的发展
• 1.2 单晶高温合金
• 1.2.1 单晶高温合金的发展
• 1.2.2 单晶高温合金的成分特点
• 1.3 高温合金定向凝固技术
• 1.3.1 高速凝固法
• 1.3.2 液态金属冷却定向凝固技术（LMC）
• 1.4 单晶合金的拉伸和蠕变持久性能
• 1.4.1 单晶合金的拉伸性能特点
• 1.4.2 单晶高温合金的持久行为
• 1.5 长期时效
• 1.5.1 相的变化
• 1.5.2 碳化物的转变
• 1.5.3 TCP 相的析出
• 1.6 本文的意义和研究内容
• 第二章 材料及实验方法
• 2.1 实验材料
• 2.2 母合金制备
• 2.3 单晶试棒制备
• 2.4 用于组织观察的样品制备
• 2.5 显微组织观察
• 2.6 热处理与长期时效
• 2.7 力学性能测试
• 第三章 LMC 工艺研究
• 3.1 单晶取向控制研究
• 3.2 工艺参数对单晶完整性的影响
• 3.3 工艺参数对合金组织与性能的影响
• 3.4 分析讨论
• 3.4.1 单晶取向控制
• 3.4.2 工艺参数对单晶完整性的影响
• 3.4.3 工艺参数对合金组织与性能的影响
• 3.5 本章小结
• 第四章 DD265 合金显微组织与拉伸性能
• 4.1 不同工艺条件下的合金显微组织
• 4.2 热处理工艺研究
• 4.2.1 固溶处理
• 4.2.2 时效处理
• 4.2.3 碳化物
• 4.2.4 热处理对合金性能的影响
• 4.3 DD265 合金拉伸性能
• 4.3.1 拉伸性能
• 4.3.2 拉伸断口形貌
• 4.4 讨论与分析
• 4.4.1 LMC 与 HRS 工艺对 DD265 单晶合金铸态组织的影响
• 4.4.2 凝固工艺对热处理的影响
• 4.4.3 碳化物
• 4.4.4 拉伸性能
• 4.5 本章小结
• 第五章 持久蠕变性能
• 5.1 持久
• 5.1.1 持久性能
• 5.1.2 持久变形后的组织形貌
• 5.1.3 持久断裂特征
• 5.2 蠕变
• 5.2.1 蠕变性能
• 5.2.2 蠕变变形组织
• 5.3 晶体取向对持久性能影响
• 5.4 讨论与分析
• 5.4.1 γ′相筏化机理
• 5.4.2 蠕变变形
• 5.4.3 晶体取向对高温持久性能的影响
• 5.5 本章小结
• 第六章 长期时效对合金组织与性能的影响
• 6.1 长期时效对 DD265 单晶合金组织的影响
• 6.1.1 900℃长期时效对合金组织的影响
• 6.1.2 1000℃长期时效对合金组织的影响
• 6.2 长期时效对 DD265 单晶合金性能的影响
• 6.2.1 室温拉伸性能
• 6.2.2 持久性能
• 6.3 讨论与分析
• 6.3.1 长期时效对合金组织的影响
• 6.3.2 长期时效对合金性能的影响
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢