电子束精炼制备Inconel 718合金及其性能研究

摘要

镍基高温合金所含合金元素众多，成分控制难度大，为了保证高温长期服役时的性能要求，对合金中的微量杂质元素含量及夹杂的控制也有严格的要求。目前国内高温合金多采用双联或三联的熔炼工艺制备，但仍存在微量杂质含量高、合金元素偏析大、流程长等问题。电子束精炼是利用高能量密度的电子束轰击材料的表面使其熔化并提纯的工艺，由于突破了传统冶金过程中液固界面处杂质元素迁移驱动力减弱的问题，其在杂质元素和夹杂物的去除方面有着独到的优势，可实现超纯净、低偏析高温合金的制备。然而，电子束精炼制备高温合金的一些基本问题还未彻底解决，如伴随着杂质元素及非金属夹杂物的去除，合金元素也存在不同程度的挥发损失，此外，制备得到的高纯高温合金的组织特点及其与性能之间的关系尚未明确。这些问题的明晰有利于实现高温合金的组织控制从而提高其使用性能，对电子束精炼高温合金的产业化具有重要意义。 本研究从Inconel718合金的电子束高纯化制备出发，研究电子束精炼过程中元素的挥发行为，根据各元素的挥发损失规律指导电子束的精炼，以实现合金成分的精确控制。同时，探讨电子束精炼制备的Inconel718(EBS718)合金不同热处理状态下的组织特点及力学性能，以建立组织及析出行为与力学性能的关系。在此基础上，讨论EBS718合金中γ'/γ"析出相的强化机制，获得合金析出行为与强化效果的定量关系，为优化EBS718合金组织及力学性能提供理论支撑。此外，对EBS718合金抗腐蚀性能进行分析，探索影响EBS718合金电化学腐蚀性能的关键因素。 研究结果表明，利用Miedema模型计算Inconel718合金中Fe、Ni及Cr元素的活度及活度系数是可行的，并由实际挥发速率与理论挥发速率的关系计算得到Al元素活度系数补偿因子ωAl的大小为0.0023。随着精炼温度及精炼时间的增加，Ni、Ti、Nb、Mo、Fe元素的质量分数有所增加，而Cr元素与Al元素的含量有所降低，随着母材质量的增加，Ni、Nb、Mo、Ti、Fe元素的质量分数先降低而后保持稳定，而Cr、Al元素的质量分数则先增加后保持稳定。经过工艺参数优化后，合金成分能够实现精确控制，其中最易挥发的Cr及Al元素的质量分数仅降低0.42％及0.01％。 EBS718合金铸态组织中的二次枝晶间距约为28μm，其凝固末期的冷却速率约为279.2℃/min。经过标准热处理后，合金中主要析出相为12～15nm大小的片状γ"相，其中γ"与γ'析出相含量的比值为2.92。随着固溶温度的增加，EBS718合金中δ相含量呈指数规律降低，较低的固溶温度有利于γ"相的析出，而较高的固溶温度有利于γ'相的析出;当固溶温度为1150℃时，γ'相均匀分布在基体中，其粒径约为8.43nm，此时析出相与基体具有最小的错配度。EBS718合金经过锻造处理后，在基体中弥散分布着细小的(Nb，Ti)C碳化物，基体中δ相基本消失。经过标准固溶处理后，合金发生了再结晶及晶粒生长，时效处理后晶界棒状δ相尺寸约为1.5μm。随着固溶温度的升高，锻造的EBS718合金晶粒尺寸增加，而沿晶界分布的δ相减少，当固溶温度高于980℃时，只观察到弥散分布的MC碳化物。 EBS718合金标准热处理后的维氏硬度约为418(HV0.1)，压缩强度与抗拉强度分别为1169.5MPa及981.9MPa，其在680℃/500MPa下的蠕变寿命为327.3h，最小蠕变速率为3.90×10-5/h;随着固溶温度的升高，时效态EBS718合金的维氏硬度、抗拉强度及压缩强度均有所增加。蠕变结果表明，1150℃固溶并时效后的EBS718合金相对于标准热处理的合金具有更低的稳态蠕变速率及较高的蠕变抗力;锻造的EBS718合金标准热处理后，其维氏硬度值为458(HV0.1)，压缩强度为1434.6MPa，高于传统细晶锻造Inconel718合金，其在680℃/500MPa下的蠕变寿命为1266.2h，为传统锻造Inconel718合金的2.71倍，其最小蠕变速率约为7.50×10-7/h，约为传统锻造Inconel718合金的1/20，表现出优异的抗蠕变性能;随固溶温度的增加，时效态合金的压缩强度及维氏硬度逐渐降低，对于高温压缩具有相似的规律。当固溶温度为1150℃时，锻造的EBS718合金的蠕变寿命及最小蠕变速率分别为798.3h及1.78×10-6，蠕变性能低于锻后标准热处理的EBS718合金，但优于传统锻造Inconel718合金。EBS718合金中γ'析出相的主要强化机制为堆垛层错强化，对于γ"析出相，模量强化及有序强化为主要的强化机制。EBS718合金的强化效果由γ"及γ'析出强化共同组成，由析出强化引起的临界剪切应力可表示为γ"及γ'析出行为相关的函数，其中γ"及γ'析出强化指数因子q的值分别为1.9及1.8。理论计算的临界剪切应力与屈服强度及维氏硬度保持线性关系，γ"及γ'双相强化模型能够较好地预测EBS718合金的析出强化效果。 EBS718合金相对于传统的Inconel718合金具有较高的自腐蚀电位和较低的白腐蚀电流密度，表现出优异的电化学腐蚀性能。EBS718合金的点蚀电位随着固溶温度的增加而增加，同溶温度对电化学极化行为的影响主要表现为δ相的尺寸及体积分数随着同溶温度的增加而逐渐降低，冈此降低了点蚀初始区的密度。时效处理后，合金中析出了γ'及γ"相，初始点蚀区密度增加的同时富Nb的γ"相引起的晶格错配导致合金的抗腐蚀性能降低。当固溶温度为1150℃时，时效态合金中均匀分布着尺寸约为10nm的γ'相，合金的电化学活化激活能为52.86kJ/mol，表现出较高的电化学腐蚀抗力。

目录

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摘要

图目录

表目录

主要符号表

1绪论

1．1 Inconel 718合金概述

1．1．1 Inconel 718合金的应用

1．1．2 Inconel 718合金的析出相

1．1．3 Inconel 718合金的强化机制

1．1．4 Inconel 718合金的性能

1．2 Inconel 718合金的制备方法

1．2．1双联及多联熔炼的工艺

1．2．2粉末冶金工艺

1．2．3增材制造技术

1．3电子束精炼制备Inconel 718合金

1．3．1杂质元素的去除

1．3．2非金属夹杂物的去除

1．3．3偏析及凝固组织的控制

1．3．4电子束精炼高温合金的产业化

1．4论文的研究目的及内容

1．4．1研究目的及意义

1．4．2研究内容

2实验材料及方法

2．1 Inconel 718合金的电子束精炼制备

2．1．1 原材料

2．1．2电子束精炼设备及参数

2．2合金成分及微量元素的测定

2．3 Inconel 718合金的热处理

2．4显微组织及相组成分析

2．4．1金相组织观察

2．4．2 XRD衍射分析

2．4．3扫描电镜及EDS能谱分析

2．4．4透射电镜及选区电子衍射

2．4．5电子探针元素面扫描分析

2．5力学性能测试

2．5．1合金的显微硬度

2．5．2合金的拉伸实验

2．5．3合金的压缩实验

2．5．4合金的高温蠕变

2．6抗氧化及电化学腐蚀性能测试

2．6．1抗氧化性能

2．6．2电化学腐蚀性能

3 Inconel 718合金电子束精炼过程中合金元素的控制

3．1 引言

3．2 Inconel 718合金电子束精炼过程中合金元素的挥发行为

3．2．1 元素的活度及活度系数

3．2．2元素的挥发与温度的关系

3．2．3元素的挥发与时间的关系

3．2．4元素的挥发与母材质量的关系

3．3 Inconel 718合金电子束精炼过程中合金元素的控制

3．4本章小结

4 EBS 718合金的显微组织

4．1 引言

4．2 EBS 718合金的显微组织及析出行为

4．2．1 EBS 718合金的显微组织

4．2．2 EBS 718合金的析出行为

4．3热处理工艺对EBS 718合金显微组织及析出行为的影响

4．3．1热处理工艺对EBS 718合金显微组织的影响

4．3．2热处理工艺对EBS 718合金析出行为的影响

4．4锻造EBS 718合金的显微组织

4．5热处理工艺对锻造EBS 718合金显微组织的影响

4．6本草小结

5 EBS 718合金的力学性能

5．1 引言

5．2 EBS 718合金标准热处理状态的力学性能

5．2．1 EBS 718合金的维氏硬度

5．2．2 EBS 718合金的压缩性能

5．2．3 EBS 718合金的拉伸性能

5．2．4 EBS 718合金的蠕变性能

5．3热处理工艺对EBS 718合金力学性能的影响

5．3．1不同热处理工艺下EBS 718合金的维氏硬度

5．3．2不同热处理工艺下EBS 718合金的拉伸性能

5．3．3不同热处理工艺下EBS 718合金的压缩性能

5．3．4不同热处理工艺下EBS 718合金的蠕变性能

5．4锻造EBS 718合金的力学性能

5．5热处理工艺对锻造EBS 718合金力学性能的影响

5．6 EBS 718合金的强化机制

5．6．1 γ′强化引起的临界剪切应力

5．6．2 γ″强化引起的临界剪切应力

5．6．3 γ′/γ″双相强化机制

5．7本章小结

6 EBS 718合金的抗氧化及电化学腐蚀性能

6．1 引言

6．2 EBS 718合金的电化学腐蚀性能

6．2．1 EBS 718合金的电化学腐蚀行为

6．2．2 EBS 718合金的腐蚀产物

6．3固溶温度对EBS 718合金电化学腐蚀性能的影响

6．4本章小结

7结论与展望

7．1结论

7．2创新点

7．3展望

参考文献

附录

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介