一种新型镍基单晶合金制备工艺、铸造缺陷及性能研究

摘要

镍基高温合金因其优异的高温综合性能，而被广泛应用在工业燃气轮机、航空发动机等高端承热部件上。但随着镍基高温合金的服役温度越来越高，现代工业对合金的性能要求也越来越高。因而研究新型镍基单晶高温合金的制备工艺、铸造缺陷以及热处理对改善组织和性能的影响具有很重要的意义。 本文以一种新型镍基高温合金为研究对象，通过快速凝固法制备单晶组织铸件，研究温度梯度、抽拉速度对此种镍基高温合金单晶组织的影响。在此基础上研究此种合金铸件制备过程中出现的常见缺陷及其形成机理。最后探讨热处理对此种合金单晶铸件的组织和性能的影响以及不同温度下拉伸性能的研究。本文的主要结论如下: (1)通过快速凝固制备的新型镍基高温合金单晶铸件，铸件距离水冷盘的不同测温点位置，固液界面的温度梯度不一样。相对来说离水冷盘距离越远，温度梯度越小。抽拉速度对合金组织的影响十分显著，本工艺合理的抽拉速率为2.5mm/min～3.5mm/min。 (2)在不同的抽拉速率下，元素的偏析程度受扩散时间和扩散距离的双重影响。抽拉速率在2.5mm/min～4.5mm/min之间变化时，随着抽拉速率的提高，除Re、W元素外各元素的偏析程度均有所减轻。Re、W元素随着抽拉速率的提高，偏析越来越严重。杂晶的形成位置虽有一定的偶然性，但大部分都是有原因有规律的，尤其在截面突然变大处极易产生杂晶。通过热导体技术，可以减少杂晶形成的倾向。 (3)由于此种合金中加入了3.5％的Re和8.5％的W，W、Re等是密度大的元素，本文研究的新型镍基高温合金制备的试样表面发现了雀斑的存在。 (4)热处理可以明显改善铸件的成分偏析，从而使合金的成分分布均匀化。热处理极大的改善了γ'相的形貌、尺寸和分布。热处理消除了合金中大部分的共晶组织。 (5)合金宏观断口没有明显颈缩，铸态试样为正断型断裂，热处理态试样为切断型断裂。随着拉伸温度上升，合金的抗拉强度和屈服强度均表现为先升高后降低的趋势。无论何种温度条件下，热处理态试样的抗拉强度和屈服强度均比铸态条件下的要好，且在750℃左右时表现出优异的力学性能。750℃条件下的试样断口以河流花样和解理台阶为主要断裂特征，但热处理态的试样出现韧窝。850℃的试样断口解理特征不再明显，铸态下为撕裂特征，热处理态下存在大量韧窝。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 镍基高温合金的发展及现状

1．2 定向凝固的发展

1．3 镍基高温合金中的相组成

1．4 镍基高温合金中不同溶质元素的作用

1．5 定向凝固技术的关键工艺参数

1．5．1 温度梯度

1．5．2 抽拉速度

1．6 镍基高温合金定向凝固主要的缺陷

1．6．1 雀斑

1．6．2 杂晶

1．6．3 枝晶偏析

1．7 镍基单晶高温合金的热处理目的和方法

1．8 本文的选题意义和研究内容

第二章 试验材料、设备及工艺方法

2．1 试验材料

2．2 试验设备及方案

2．2．1 试验所用的主要设备

2．2．2 试验方案

2．3 试验工艺

2．3．1 模壳制备

2．3．2 单晶制备

2．3．3 组织分析

2．3．4 拉伸性能检测

第三章 温度梯度和抽拉速率对新型镍基高温合金定向凝固组织的影响

3．1 温度梯度对新型镍基高温合金凝固组织的影响

3．1．1 温度梯度的推算

3．1．2 温度梯度分析

3．1．3 温度梯度对铸件显微组织的影响

3．2 抽拉速度对新型镍基高温合金组织的影响

3．2．1 抽拉速度对铸件显微观组织的影响

3．2．2 抽拉速度对γ'相形貌和尺寸的影响

3．3 本章小结

第四章 定向凝固缺陷分析

4．1 枝晶偏析

4．1．1 枝晶偏析的测量方法与正负偏析元素的测定

4．1．2 不同抽拉速度下元素的偏析行为

4．2 杂晶

4．3．1 宏观组织分析

4．3．2 杂晶形成长大机理

4．3 雀斑

4．4 本章小结

第五章 热处理对新型镍基高温合金组织及性能的影响

5．1 热处理工艺的设计

5．2 热处理对合金定向凝固组织的影响

5．2．1 热处理对金相显微组织的影响

5．2．2 热处理对γ'相形态和分布的影响

5．2．3 热处理对共晶组织(γ+γ’)的影响

5．3 热处理前后合金的拉伸性能研究

5．3．1 合金的拉伸性能研究

5．3．2 宏观断口分析

5．3．3 微观断口分析

5．4 本章小结

第六章 结论

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的论文