第二代定向柱晶高温合金DZ59研究

摘要

为了充分发挥定向柱晶在生产效率、制造成本方面的优势，避免单晶高温合金难以解决的问题，满足我国航空事业发展、特别是先进航空发动机对涡轮叶片承温能力的要求，本文在借鉴国外先进经验的基础上，以研制开发一种新型低成本高性能第二代定向柱晶高温合金为目标，系统研究了合金成分、工艺、服役条件等因素对组织、性能的影响以及相形成与演化规律，得到以下主要结论： 1）通过成分设计与工艺优化，成功研制的第二代定向柱晶高温合金DZ59达到了预期目标要求，其密度为8.53g/cm3，室温性能σb=1369MPa，σ0.2=1069MPa，δ=10.8％，ψ=11.4％，与基础合金DSжc6y相比，强度和塑性分别提高30％和20％；975℃/230MPa高温蠕变断裂寿命达370hr.，比DSжc6y提高290％；760℃瞬时拉伸强度σb=1301MPa，比相同Re含量的第二代单晶高温合金DD6高18％；900℃瞬时拉伸强度σb=947MPa，与第一代单晶高温合金DD3相当，较第一代定向柱晶DZ125合金高11％；由L-M综合蠕变指数表征的高温蠕变断裂性能全面超过第一代单晶高温合金，达到国际上典型的第二代单晶高温合金CMSX-4水平；综合制造成本比第一代单晶高温合金可降低25％，比类似成分的第二代单晶高温合金可降低35％。 2）发现D259合金中的μ相具有枝晶间分布的特性，颗粒化的μ相可以有效的阻碍位错运动以及晶界滑移，而成为主要的次生沉淀强化相。DZ59合金枝晶间颗粒化μ相的形成机制为：时效过程中，μ相的形成元素（Re、Mo、Cr等）向界面偏聚以及γ'的形成和成分起伏促进了μ相的形成。 3）在DZ59合金时效过程中晶界发生多次反应，形成由FGRZ、次生μ相、含Re的M23C6以及多相晶团所组成的二次晶界反应区（SGRZ），其中含Re的M23C6型碳化物在以往的定向柱晶高温合金中从未被发现过。SGRZ中胞状晶团的产生受温度、时间、应力影响，在静态时效中，该晶团的产生同γ'的粗化、搭接合并以及μ相的析出等过程相关；在应力时效中，该组织受FGRZ边界位错密度的变化、Re等难溶元素沿位错等溶质高速扩散通道扩散以及γ'的搭接合并过程等综合因素的影响。尺寸较大的胞状晶团增加横向晶界受力界面，高负荷下可能成为蠕变空洞萌生和扩展的起源。 4）Ta有助于提高D259合金凝固过程中各相的转变温度，促进骨架状MC形成，并加重晶界M6C型碳化物的链状倾向。Ta大量进入γ'相，增大γ'-γ两相的错配度，有助于γ'相形貌的立方化，显著提高室温瞬时拉伸性能、比强度以及高温蠕变断裂性能。 5）Re降低MC的形成温度，有效抑制M6C的形成和脆性MC的生长，促进μ相的生成和MC分解。Re原子的弥散分布及难扩散性质还有助于改善晶界沉淀相的形貌和分布，大幅增加基体的强化效果，对高温蠕变断裂性能作用尤为明显。1％（wt）R的作用同2％（wt）W的强化效果相当。 6）D259合金在900℃/600hr.以内的长期热曝露过程中可以保持较高的高温拉伸性能，但是热曝露超过1000hr.后，性能大幅下降，其中断面收缩率下降尤为明显，此时晶界区域产生较高含量的胞状晶团增加了晶界横向受力面积是合金塑性下降的主要原因。在975℃/255MPa条件下，随着热曝露时间的延长，蠕变断裂强度单调下降，热曝露1000hr.时，合金塑性急剧下降。该合金长期热曝露以及蠕变断裂过程产生0.2-0.4％（体积分数）的μ相，但无论该μ相是短针状还是颗粒状对性能均影响不大。弱化的基体、大尺寸的MC碳化物以及γ/γ'共晶是DZ59合金服役过程主要裂纹萌生源。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1高温合金概述

1.2先进铸造高温合金的发展

1.2.1定向凝固高温合金与单晶高温合金发展概况

1.2.2单晶高温合金的发展

1.2.3第二代定向柱晶高温合金

1.2.4第三代定向柱晶高温合金

1.3高强定向柱晶高温合金的成分设计与制各技术

1.3.1 γ与γ'相的强化

1.3.2晶界强化

1.3.3TCP的作用及控制

1.3.4定向柱晶高温合金制备工艺的发展

1.4本论文的研究目标

2实验设计与实验方法

2.1实验设计

2.2实验方法

2.2.1母合金制备

2.2.2定向凝固

2.2.3 DSC实验

2.2.4显微组织观察

2.2.5定量金相

2.2.6萃取实验

2.2.7高温压缩蠕变实验

2.2.8力学性能实验

3成分设计与优选

3.1基础合金选择

3.2成分设计

3.2.1合金元素含量调控

3.2.2 Ta元素的加入

3.2.3 Re元素的加入

3.2.4 C元素的进一步调整

3.3组织特征比较与分析

3.3.1凝固过程相转变温度及铸态组织比较与分析

3.3.2热处理组织比较与分析

3.4力学性能综合比较与分析

3.4.1室温性能

3.4.2高温蠕变断裂性能

3.5本章小结

4热处理对合金组织和性能影响研究

4.1引言

4.2固溶热处理的对合金微观组织和性能的影响

4.2.1固溶处理温度的选择

4.2.2固溶处理对合金组织的影响

4.2.3固溶处理对合金性能的影响

4.3时效处理对合金微观组织和性能的影响

4.3.1一级时效处理对合金γ'相析出行为的影响

4.3.2一级时效处理对晶界组织的影响

4.3.3二级时效处理对合金γ'相的影响

4.3.4时效处理对合金力学性能的影响

4.4本章小结

5 p相的形成及其在二代柱晶高温合金DZ59中的作用

5.1 Re对M6C型碳化物的抑制作用

5.2μ相的枝晶间析出行为

5.2.1初生μ相的析出

5.2.2铸态组织时效过程μ相的析出

5.3 μ相析出的微观机制

5.3.1受Re界面偏聚影响的μ相界面析出

5.3.2γ'相成分变化对μ相形成的影响

5.4.DZ59合金中的晶界反应

5.4.1一次晶界反应区(FGRZ)的形成

5.4.2二次晶界反应区(SGRZ)的形成

5.5颗粒化μ相在DZ59合金中的作用

5.5.1颗粒化μ相的基体强化作用

5.5.2颗粒化μ相的晶界强化作用

5.5.3 SGRZ对DZ59合金的影响

5.6本章小结

6 900℃长期热曝露对DZ59合金组织与性能的影响

6.1标准热处理后组织

6.2 900℃长期热曝露后的组织演化

6.2.1 μ相的变化

6.2.2晶界组织的变化

6.2.3γ'相的变化

6.3 975℃/255MPa蠕变断裂后组织演化

6.3.1μ相的变化

6.3.2γ'相的变化

6.3.3 975℃/255MPa蠕变断裂实验后断口组织分析

6.4 900℃长期热曝露后合金性能的变化

6.4.1 900℃瞬时拉伸性能的变化

6.4.2 975℃/255MPa蠕变断裂性能的变化

6.5分析与讨论

6.5.1长期热曝露过程γ'组织变化及其对合金性能的影响

6.5.2长期热曝露过程μ相析出对合金性能的影响

6.5.3长期热曝露过程其他组织演变对合金性能的影响

6.6本章小结

7综合评价分析

7.1蠕变断裂性能对比

7.2拉伸性能对比

7.3密度与综合成本

7.4本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读博士期间发表论文与科研成果情况