定向凝固CMSX-6合金微观组织及拉伸性能的研究

摘要

定向凝固高温合金最主要的应用方向是航空发动机和燃气轮机叶片材料的制备。尤其是镍基高温合金以其优异的综合性能，应用最为广泛。而随着叶片尺寸的不断增大、形状的逐渐复杂化，对其性能的要求也不断加大。由于定向凝固工艺可以优化改善合金的性能，所以研究高温合金制备工艺和组织性能差异具有重要的现实意义。
　　本文以镍基高温合金CMSX-6合金为母材，通过VDF-10单晶/定向结晶炉，以定向凝固工艺制备了一批定向柱状试棒和单晶叶片。然后对部分试样进行热处理，利用光学显微镜及扫描电镜对不同工艺条件下合金的组织进行分析。再通过力学性能测试对比分析热处理对合金在不同温度下拉伸性能的影响。研究结果表明:
　　(1)抽拉速率为3.5mm/min时，枝晶排列规则有序，γ'相形貌立方化程度最高，此工艺条件较为合理;熔体过热温度为1550℃时，一次枝晶间距较小，γ'相规则细小均匀，共晶含量少，该工艺条件较为理想。
　　(2)试样在定向凝固过程中的传热能力逐渐下降，并由此引起了合金先凝固部分的一次、二次枝晶间距均小于后凝固部分，且γ'相、γ+γ'共晶相的尺寸以及显微偏析的程度也有相同规律，但缩松尺寸的大小随着距水冷铜盘高度的增加先增大后减小。
　　(3)热处理可以明显改善铸态合金的显微偏析，使其成分均一化。还会析出规则细小均匀的γ'相，并消除大部分的共晶组织。但在近表面处会产生少量不同于缩松组织和初熔组织的固溶微孔，它是高温合金通过空位的扩散和聚集作用在合金表面附近形成的微孔组织。
　　(4)随着测试温度的上升，合金的抗拉强度和屈服强度表现为先升高后降低的趋势，而延伸率却呈现出逐渐增大的变化趋势。无论何种温度条件下，热处理态试样的抗拉强度、屈服强度和延伸率均比铸态条件下的要好，虽然屈服强度提升的并不十分显著，但是延伸率有明显的增大，抗拉强度也在800℃左右时得到最大提升。CMSX-6合金的拉伸性能在800℃左右时达到最佳。
　　(5)800℃条件下的铸态试样断口以河流花样和解理台阶为主要断裂特征，热处理态的试样出现韧窝。900℃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。热处理态的试样相对于铸态表现出塑性特征。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 定向凝固高温合金研究背景

1．2 镍基高温合金的发展

1．2．1 国内外镍基高温合金的研究进展

1．2．2 镍基高温合金的相组成

1．2．3 镍基单晶高温合金的发展的新趋势

1．3 定向凝固原理及工艺方法

1．3．1 定向凝固原理概述

1．3．2 定向凝固工艺方法

1．4 高温合金的热处理

1．4．1 高温合金热处理的目的

1．4．2 高温合金热处理的方式

1．5 镍基高温合金的力学性能

1．5．1 镍基高温合金力学性能的研究意义

1．5．2 拉伸性能

1．5．3 蠕变性能

1．5．4 高温疲劳性能

1．6 本课题的主要研究内容

第二章 试验材料及方法

2．1 试验材料

2．2 试验流程

2．3 薄壁高强模壳制备方法

2．4 定向凝固试验

2．4．1 VDF-10单晶／定向结晶炉

2．4．2 定向凝固工艺

2．4．3 试样定向凝固过程

2．5 热处理规范及设备

2．6 试样处理和组织分析方法

2．7 XRD物相分析

2．8 差热分析

2．9 拉伸试样的制备和测试

第三章 工艺参数对CMSX-6合金组织的影响

3．1 CMSX-6合金定向凝固组织的特点

3．1．1 宏观组织

3．1．2 微观组织

3．1．3 物相分析

3．1．4 强化相γ'相

3．1．5 枝晶偏析

3．1．6 缩松

3．2 不同抽拉速率对CMSX-6合金定向凝固组织的影响

3．2．1 不同抽拉速率下的显微组织形貌

3．2．2 抽拉速率对一次枝晶间距的影响

3．2．3 抽拉速率对γ'相形貌的影响

3．2．4 不同抽拉速率下的枝晶偏析

3．2．5 抽拉速率与缩松形貌的关系

3．3 熔体过热温度对CMSX-6合金定向凝固组织的影响

3．3．1 熔体过热温度对一次枝晶间距的影响

3．3．2 熔体过热温度对γ'相形貌的影响

3．3．3 熔体过热温度对共晶形貌及其含量的影响

3．4 本章小结

第四章 CMSX-6合金在定向凝固过程中的传热与组织分析

4．1 CMSX-6合金定向凝固过程中的传热分析

4．2 不同高度处CMSX-6合金定向凝固组织的变化

4．2．1 不同高度处的显微组织形貌

4．2．2 不同高度处的一次枝晶间距

4．2．3 不同高度处的二次枝晶间距

4．2．4 不同高度处γ'析出相的形貌

4．2．5 不同高度处的共晶组织

4．3 不同高度处CMSX-6合金枝晶偏析和缩松的变化

4．3．1 不同高度处的枝晶偏析

4．3．2 不同高度处的缩松

4．4 本章小结

第五章 热处理对合金定向凝固组织与拉伸性能的影响

5．1 热处理工艺的设计

5．1．1 差热曲线分析

5．1．2 热处理制度的选择

5．2 热处理对合金定向凝固组织的影响

5．2．1 热处理后的组织均匀化

5．2．2 固溶微孔

5．2．3 热处理对合金γ'相的影响

5．2．4 热处理对共晶相的影响

5．3 CMSX-6合金的拉伸性能

5．3．1 合金的室温拉伸性能

5．3．2 合金的高温拉伸性能

5．4 拉伸断口分析

5．4．1 室温断口分析

5．4．2 高温断口分析

5．5 本章小结

第六章 结论及展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的论文及其他科研成果