新型镍基合金的高温力学性能和微观结构演变
毕业论文关键词 镍基高温合金 热处理工艺 组织结构 γ´析出相
Title Tailoring nanoscale microstructures of a polycrystallineNickel-based alloy for high temperature performance
Abstract High temperature Ni-based superalloys are mainly used for the high temperaturecomponents of aerospace turbine engines and industrial gas turbines , which requirethe alloys have good high temperature mechanical properties. Chemical compositionand microstructure of materials are key factors for its mechanical properties.The effects of solid solution temperatures on the microstructure, γ´precipitatesand hardness of the alloys were investigated. The results demonstrate that thesize of distributions of γ´ precipitates could be regulated by the solid solutiontemperatures. Optical microscope, scanning electron microscope, transmissionelectron microscope were utilized to characterize the grain structures and γ´phase。The mechanical property, such as microhardness, was correlated to the grainsize and γ´ phase. When solid solution temperature ranges from 1110 ℃ to1140 ℃, the grain size rises rapidly with the solution temperature increasing.The variations of solution temperature have minor effect on the size of coarseγ´ precipitates. Ageing treatments following solid solution can refine the sizeof γ´ precipitates further. It is also found out that the volume fraction ofcoarse γ´ phase decreased significantly when the solution temperature is around1120 ℃, which is consistent with the temperature where the grain starts to growup rapidly with solid solutioning. The fact that the coarse γ´ precipitatesdisappear and grains grow up around 1120 ℃ indicate the solidus temperature ofthis new polycrystalline Ni-based alloy should be in the vicinity of 1120 ℃.
Keywords Ni-based superalloy Heat treatment Microstructure γ´precipitates
目次
1绪论..1
1.1高温合金的概况..1
1.2镍基高温合金的研究、发展与应用现状.2
1.3镍基高温合金中合金元素的作用..5
1.4镍基高温合金热处理..5
1.5本文的研究目的、内容及意义6
2实验材料与方法..8
2.1实验材料..8
2.2热处理工艺.8
2.3微观结构表征和硬度实验9
3实验结果与分析11
3.1热处理对合金晶粒结构的影响.11
3.2热处理对γ´析出相的影响..13
3.3热处理对硬度的影响18
结论..19
致谢..20
参考文献21
1 绪论
1.1 高温合金的概况高温合金，又称超合金，通常是以第Ⅷ主族元素为基本元素，指在600~1000 ℃以上的高温和较大的应力条件下长期工作且具有一定的表面稳定性和组织稳定性的一类金属材料[1-3]。高温合金具有优异的高温性能，包括较高的高温强度，优良的抗蠕变性能，良好的疲劳性能和抗腐蚀性能，较好的抗氧化性能和组织稳定性等。主要应用于航天和航空发动机以及工业燃气轮机的高温部件，如工作叶片、涡轮盘、轴、燃烧室等[4-5]。随着航天事业的发展，对高温合金的力学性能的要求也随之提高，研制、生产高温合金的水平代表着一个国家金属材料的最高发展水平。高温合金按照基体元素可分为铁基合金、钴基合金和镍基合金。按照制作工艺可分为变形合金、铸造合金、粉末合金。按照强化机理可分为固溶强化、时效强化、晶界强化、弥散强化[6]。20 世纪初期， 德、 英、 美等国开始研究高温合金。 40年代初期， 英国在镍-钴合金80Ni-20Cr中加入少量的钛或者铝，析出γ´相并产生蠕变强化，使得镍基合金的高温强度得到了大幅提高。与此同时，美国用Vitallium 钴基高温合金制作活塞式航空发动机的叶片，以满足涡轮增压器的发展需要;将 Inconel 镍基高温合金用于喷气发动机燃烧室的制作。为了进一步提高合金的高温强度，冶金学家不断调整合金元素的种类与含量，以提高合金的综合性能。例如在钴基合金中,加入镍、钨等元素，研制出 X-45、HA-188 等合金；在镍基合金中加入钼、钨、钴等元素，并增加钛元素或铝元素的含量，研制出“IN”、“Nimonic”等合金。50 年代，真空熔炼技术、精密制造工艺使得高温合金再次进入快速发展阶段。50 年代至 70 年代，铁基高温合金应用较多，因为其成本较低，但是随着航天发动机对材料承温要求的提高，其逐渐被镍基高温合金代替。由于钴的缺乏和强度提升有限，钴基合金的发展受到限制。镍基合金因性能优异且成本较低，得到广泛应用。随着粉末冶金、单晶合金、等温锻造、定向凝固等新工艺的出现和发展，高温合金进入新的发展阶段[5,7-8]。1956 年，我国开始研制高温合金，制作出了“K”系列铸造高温合金、“GH”系列变形高温合金。70 年代至 90 年代我国制造高温合金的技术和产品质量得到提高。20世纪末期，高温合金进入快速发展阶段，我国研制出了新型高温合金，研发能力和技术水平也在不断提高[5,9-10]。高温合金是一种非常具有发展前景的材料，其发展要求是进一步提升合金的力学性能和工作温度，延长合金寿命。通过广泛应用定向凝固、单晶涡轮叶片、导向叶片铸件；减少合金内部缺陷；提高合金抗蠕变性能；改善工艺获得尺寸均匀的晶粒或细晶；降低合金密度；减少材料成本等方法来满足发展要求。尽管不断有新型的材料出现，高温合金因具有较好的可修复性和适应性，仍将是燃气轮机等行业的主要材料[5-6]。