脉冲磁场和机械振动作用下细化K4169高温合金晶粒的研究

摘要

用于制造航空发动机的低压涡轮叶片、涡轮盘、导向器和工业燃气轮机等零部件所用的高温合金，其工作温度大都在中温(760℃)以下，所以要求其铸造组织为整体均匀细小的等轴晶，以提高其低周疲劳性能和使用可靠性。脉冲磁场和机械振动均属于动力学晶粒细化方法，具有细化效果好、操作简便、无污染等特点。近年来，随着现代凝固技术的发展，单一的物理场已经不能满足凝固技术的需要，为了更好地实现对金属凝固组织的控制，出现了一种新的凝固处理技术即复合场处理技术。本文首先对低压脉冲磁场高温合金凝固处理装置、机械振动高温合金凝固处理装置及脉冲磁场-机械振动高温合金复合凝固处理装置进行了设计，然后分别以 H62黄铜和K4169高温合金为研究对象，采用光学显微镜，拉伸试验机和扫描电镜等分析测试手段，研究了脉冲磁场、机械振动及复合处理作用下合金凝固组织和力学性能的变化规律，并探讨了其作用机理。研究结果表明：
　　1)自行设计的低压脉冲磁场高温合金凝固处理装置可获得较高的单次脉冲能量和较好的晶粒细化效果，同时保证了操作的安全可靠性。在此基础上设计的脉冲磁场-机械振动高温合金复合凝固处理装置兼备了脉冲磁场和机械振动两者的特点，具有更好的晶粒细化效果。
　　2)在脉冲磁场或机械振动作用下，K4169高温合金的凝固组织显著细化，其初生相均由粗大、发达的树枝晶转变为细小的等轴晶或非树枝晶结构的晶粒。当脉冲电压在0~300 V范围内递增或脉冲频率在0~5 Hz范围内递增时，脉冲磁场对K4169高温合金的细化效果均得到增强。随着机械振动的振幅在0~2 mm范围内递增，K4169高温合金凝固组织逐渐被细化，其初生相由发达、粗大的树枝晶变为破碎的枝晶或蔷薇状晶体。随着机械振动的频率在50~75 Hz范围内增加，K4169高温合金的初生相形貌出现了退化，局部枝晶被打碎，但频率的变化对初生相的形态影响较小；当频率达到100 Hz时，其初生相有所粗化。浇注温度在1380~1530℃范围内增加或铸型温度在1000~1300℃范围内增加均有利于发挥脉冲磁场或机械振动的细化作用。
　　3)与单一处理工艺相比较，脉冲磁场-机械振动复合处理后的H62黄铜获得了最佳的晶粒细化效果及力学性能，其初生α相由粗大、发达的树枝晶变成短小的棒状枝晶，同时其硬度、抗拉强度和伸长率较常规铸造条件下分别提高了8.52％、9.7%和14.6%。脉冲电压从0 V增大到300 V或脉冲频率从0 Hz增大到5 Hz均有助于H62黄铜晶粒细化效果的增强及力学性能的提高；当浇注温度从950℃升高到1100℃时，复合处理对黄铜的细化效果得到增强及力学性能得到改善；铸型温度在700~1000℃范围内的提高有利于复合处理作用下黄铜的晶粒细化和力学性能的改善，但当铸型温度达到1000℃时，其细化效果会减弱。
　　4)三种不同的处理工艺均能有效细化K4169高温合金晶粒，其中在脉冲磁场-机械振动复合作用下，合金获得了最佳的晶粒细化效果及力学性能，其晶粒尺寸由常规铸造条件下的4.5 mm细化至0.98 mm，断面等轴晶比例由36%提高至96%，同时合金的抗拉强度和伸长率较常规铸造条件下分别提高了49.2%和37.3%。随着脉冲电压在0~300 V范围内或脉冲频率在0~5 Hz范围内增加，合金的初生相逐渐退化，由发达的树枝晶变成细小的等轴晶或蔷薇状晶体，同时其力学性能得到明显改善。浇注温度在1380~1530℃范围内或铸型温度在1000~1300℃范围内提高均有利于增强复合处理的细化效果及合金力学性能的提高。

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第1章 绪论

1.1 高温合金的特点和应用

1.2 高温合金的晶粒细化方法

1.3 脉冲磁场作用下细化金属凝固组织的研究现状

1.4 机械振动作用下细化金属凝固组织的研究现状

1.5 复合场作用下细化金属凝固组织的研究现状

1.6 本论文研究目的及意义

第2章 实验装置设计与实验方法

2.1 实验材料及熔炼

2.2 凝固处理装置的设计

2.3 实验总体流程和研究方案

2.4 金相试样的制备与测试

2.5 本章小结

第3章 脉冲磁场和机械振动对K4169高温合金凝固组织的影响

3.1 脉冲磁场对K4169高温合金凝固组织的影响

3.2 机械振动对K4169高温合金凝固组织的影响

3.3 本章小结

第4章 脉冲磁场-机械振动复合作用下H62黄铜的晶粒细化

4.1复合处理对H62黄铜凝固组织的影响

4.2 复合处理对H62黄铜力学性能的影响

4.3 本章小结

第5章 脉冲磁场-机械振动复合作用下K4169高温合金晶粒细化的研究

5.1 复合处理对K4169高温合金凝固组织的影响

5.2 复合处理对K4169高温合金力学性能的影响

5.3 本章小结

第6章 结论

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

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