Inconel625无缝管固溶处理促进DD640M和DD6509合金在1000～1200℃时效条件下析出更均匀更细小的二次碳化物。DD640M合金基体中只析出二次M23C6碳化物;DD6509合金中析出二次MC和M23C6碳化物,其中二次MC碳化物分布在基体中而二次M23C6碳化物分布在碳化物周围。DD640M合金初生M7C3共晶碳化物在1280℃发生熔化,重凝组织为片层更细的M23C6共晶碳化物。M7C3共晶碳化物的熔化过程为M7C3碳化物先转变成M23C6碳化物再发生熔化。初生MC共晶碳化物在1320℃发生熔化,重凝后形成骨架更细的MC共晶碳化物。DD6509合金中初生M23C6共晶碳化物熔化发生在1335℃以及MC共晶碳化物熔化发生在1340℃。本研究*关注了钴基高温合金中初生共晶碳化物的熔化现象,为优化钴基高温合金的化学成分以及微观组织提供借鉴。采用合适的热处理方法可有效改善DD640M和DD6509合金的热疲劳性能。
其中,DD640M 和 DD6509 合金分别在 1260℃/24h 和 1330℃/24h+1100℃/100h热处理后热疲劳性能提高为明显。热处理使得合金中碳化物更加弥散和细化,减缓热疲劳裂纹萌生与扩展,从而提高合金热疲劳性能。DD640M和DD6509合金高温固溶处理后持久寿命均有提高,其缘于热处理后获得良好的组织稳定性、细小MC碳化物以及过饱和固溶体。DD640M合金铸态样品在高温持久过程中发生了 M7C3→M23C6, M23C6→M6C和MC→M23C6转变。热处理使得钴基高温合金热疲劳性能和持久性能均得到显著提高,这改变了热处理对钴基高温合金性能影响有限的认识,钴基高温合金热处理应该得到应有的重视。两种合金的成分差异影响合金碳化物组织的组成和稳定性。DD6509合金的热疲劳性能和高温持久性能均优于DD640M合金,归因于DD6509合金更加稳定的碳化物组织、较高的碳化物含量和二次MC碳化物的析出。Co-Al-W基合金中γ’相强化机制的发现显著提高了钴基高温合金的承温能力,为发展新型钴基高温合金开辟了道路。然而,目前国内外针对新型钴基高温合金的研发主要集中在合金化元素对组织与性能的影响以及合金元素筛选方面;而对于其变形机制,特别是高温下的蠕变行为研究还非常有限。因此,新型钴基合金高温蠕变变形机制成为对提高钴基高温合金承温能力至关重要却仍未解决的关键科学问题。本论文以不同Ta和Ti含量的Co-Al-W基单晶合金为研究对象,研究了Ta和Ti的单独及协同作用对γ’相粗化长大行为、蠕变性能等承温能力的影响。以同时含有Ta和Ti元素的Co-Al-W-Ta-Ti单晶合金为研究对象,研究了钴基单晶合金在高温蠕变过程中微观组织及位错组态的演变,揭示了γ’相强化钴基高温合金高温蠕变变形机制。
在此基础上,分析了初始微观组织及位错组态特征对γ’相强化钴基单晶合金高温蠕变行为的影响规律与机理。Ta和Ti对承温能力影响的研究表明:Co-Al-W基单晶合金中γ’相粗化符合LSW(Lifshitz-Slyozov-Wagner)理论,Ta和Ti元素的独立和共同作用均能够提高γ/γ’相界面能,从而加快γ’相在热暴露过程中的粗化长大。添加Ta和Ti均能通过提高γ’相体积分数提高Co-Al-W基单晶合金在900℃/420MPa条件下的蠕变性能。含Ta单晶合金在蠕变过程中会析出针状χ相,导致其表现出脆性断裂特征。与含Ti单晶合金相比,含TaTi单晶合金具有更高的γ’相体积分数。此外,含TaTi单晶合金在蠕变过程中形成的封闭的γ通道以及γ’相内的面角位错是其蠕变性能显著高于含Ti单晶合金的主要原因。高温蠕变变形机制的研究表明:含Ta和Ti的五元Co-Al-W基单晶合金在900℃/420MPa条件下的蠕变行为由减速蠕变阶段(阶段Ⅰ)、加速蠕变阶段A(阶段Ⅱ)、稳态蠕变阶段(阶段Ⅲ)和加速蠕变阶段B(阶段Ⅳ)4个阶段组成。螺位错滑移的“启停机制”是阶段Ⅰ蠕变速率快速下降的主要原因。虽然“启停机制”在阶段Ⅱ仍然有效,但在此阶段γ’相发生平行于应力方向的筏排化,位错在平行于应力方向的γ通道内的滑移以及层错在若干γ’相的连续扩展是阶段Ⅱ蠕变速率上升的原因。筏排化的γ’相厚度在阶段Ⅲ开始增加,并形成封闭的γ通道。在γ/γ’相界面位错网以及γ’相中沿多个{111}面扩展的层错间相互反应生成的面角位错能够有效提高合金的变形抗力,使蠕变变形进入稳态蠕变阶段。
在外加应力的作用下微裂纹的萌生及扩展是第Ⅳ阶段蠕变速率上升的原因,此阶段合金中位错网及层错等缺陷密度显著提高。初始显微组织对蠕变性能影响的研究表明:具有不同初始γ通道宽度、γ’相尺寸以及γ/γ’界面位错密度等初始组织特征的Co-Al-W-Ta-Ti单晶合金的高温蠕变行为均由上述4个蠕变阶段组成。其中,初始γ’相尺寸是影响合金高温蠕变性能的主要因素。在0.15～0.53μm范围内,Co-Al-W-Ta-Ti单晶合金在900℃/420MPa条件下的蠕变寿命随初始γ’相尺寸的增加呈现出先增长后缩短的变化趋势。合金中初始γ/γ’界面位错密度越大,小蠕变速率越高。但是,初始显微组织特征对稳态蠕变速率没有明显影响。根据以上三部分的研究结果和认识,本工作初步建立了含Ta、Ti的Co-Al-W基高温合金的合金成分、显微组织演变和蠕变性能之间的关系,为后续进一步提高Co-Al-W基高温合金承温能力提供理论和实验依据。
Inconel625无缝管*空发动机的镍基单晶高温合金涡轮叶片中小角度晶界和叶片制造过程中的表面处理不当,会使叶片在服役过程中诱发胞状组织转变,严重时甚至会导致机毁人亡的危险。因此,有必要开展表面加工和晶界组态对镍基单晶高温合金胞状组织转变影响因素和演变规律的研究。本文以含Re镍基单晶高温合金SXG3(第三代)和CMSX-4(第二代)为研究对象,通过对单晶高温合金进行表面加工和保温热处理,研究其表面胞状晶团对高温持久寿命的影响规律,探索并阐释单晶塑性变形的各向异性和表面胞状组织转变的各向异性之间的关系。通过探索连接具有不同取向的含Re镍基单晶高温合金的方法,制备出具有晶界组态(包括旋转轴、基准面和取向差)的双晶合金,定量的研究晶界组态对双晶合金晶界胞状组织转变的影响规律。为了研究不同强度的表面加工对SXG3单晶合金薄板样品高温持久性能的影响,通过0.3 MPa/1 min和0.5 MPa/2 min的吹砂处理使SXG3单晶合金薄板在1100 ℃/200h真空热处理过程中发生表面胞状组织转变,分别形成厚度为18和49 μm胞状晶团,占据了 2.5X 1.5 mm薄板样品横截面的4%和11%。在980 ℃/250 MPa条件下,上述样品的持久寿命分别下降了近30%和70%。裂纹沿胞状晶团的胞界萌生和扩展;胞状晶团越厚,裂纹向基体扩展的越深。为了探索表面加工对单晶高温合金表面塑性变形和表面胞状组织转变的影响,采用加工强度较高的粗车+吹砂加工后,(001)面的表面塑性变形层厚度在[110]晶向处大,在[010]晶向处小,且呈现周期性变化:而经与叶片实际生产中工艺参数相接近的吹砂加工后,(001)面的表面塑性变形层厚度较低且各向异性不显著。经1100 ℃/200h保温热处理后,采用两种工艺加工的单晶样品表面胞状晶团厚度的各向异性与该单晶相同晶向处表面塑性变形层厚度及变化规律近似*,说明其厚度的各向异性取决于临界塑性变形量。
通过调整单晶取向并分别采用过渡液相(TLP)法和自扩散法连接单晶合金,可分别制备CMSX-4和SXG3合金晶界组态可控的双晶合金。单晶连接过程在1290 ℃/10-3Pa的条件下进行,保温时间为12-24h。TLP法连接铸态CMSX-4合金的过程中同步完成了合金的固溶处理。其中,自扩散连接工艺制备的晶界没有新相析出,是晶界组态可控双晶合金的理想制备方法。晶界组态对含Re镍基双晶合金晶界处胞状组织转变影响的研究表明:SXG3双晶合金[001]倾转晶界在1100 ℃发生胞状组织转变的临界取向差区间为20～25°:当晶界取向差≤20°时,晶界处形成一条γ相膜并析出粒状R相;当晶界取向差多25°时,晶界处形成胞状晶团。当[001]倾转晶界的基准面不同时,晶界胞状晶团生长方向存在差异。