镍基高温合金特征晶体取向的声学特性研究

摘要

对镍基高温合金，尤其是单晶和定向凝固镍基高温合金进行超声检测时，因其组织特殊，实际构件几何形状多样，声传播行为显示出强烈各向异性；同时，合金的服役状态为热处理态，热处理前后合金的组织与结构发生明显变化，声传播行为同时受到材料晶体取向和组织的影响。因此，研究声学特性的演变规律对服役过程中的缺陷和损伤的检测与评价就显得更为重要。为阐明晶粒弹性各向异性和热处理过程中组织演变对声学特性的影响规律和机制，本文以铸态镍基单晶高温合金Rene N4和定向凝固镍基高温合金DZ444为研究对象，利用X射线衍射、电子背散射衍射技术对合金晶体取向进行了测定，采用金相显微镜、扫描电子显微镜观察分析了合金的微观组织，最后结合超声脉冲回波技术研究了镍基高温合金特征晶体取向试样不同热处理阶段的声学特性，尝试建立微观组织结构与宏观声学特性的关联关系。主要研究内容与结论如下： 1.获取并分析了Rene N4和DZ444两种镍基高温合金平面法向方向与合金凝固方向夹角（φ）分别为0°、45°和90°片状试样组织，三者分别呈现沿枝晶不同方向的铸态组织：Rene N4单晶合金铸态组织的一次、二次枝晶臂间距分别为220μm和70μm，枝晶干γ′相尺寸为300-880 nm，枝晶间γ′相约为580 nm；DZ444定向凝固合金铸态组织的一次、二次枝晶臂间距与Rene N4单晶相差不大，但是γ′相尺寸相对较小。 2.基于超声脉冲回波技术对铸态Rene N4和DZ444两种镍基高温合金的声学特性进行时域及频域分析。结果表明，不同取向声学特征参量表现出明显的各向异性。Rene N4单晶45°方向纵波声速最大，声衰减系数最小，其值分别约为6260 m/s和0.33 dB/mm，0o方向声速最小，约为5411m/s，90°方向声衰减系数最大，和45°方向相差0.18 dB/mm，这主要是晶体取向不同造成的。DZ444合金纵波声速的变化规律与Rene N4相同，但不同方向上时、频域声衰减参量与单晶变化规律并不完全相同，45°与90°方向试样的散射衰减特性与多晶类似。 3.对Rene N4和DZ444两种镍基高温合金试样依次进行固溶、一次时效和二次时效热处理，并对不同热处理阶段组织进行分析，结果表明，随着热处理的进行，两种合金的元素分布更加均匀化，枝晶形貌越来越模糊，γ′相尺寸均呈现先增大后减小的趋势。合金中碳化物形态、类型和数量均发生了一定变化，DZ444定向凝固镍基高温合金中还出现了晶界粗化的现象。 4.不同热处理阶段的声学特性分析表明：Rene N4纵波声速和声衰减系数在一次时效后达到最大值，原因主要与γ′相尺寸、碳化物析出有关；DZ444纵波声速在不同热处理阶段变化不大，声衰减系数在一次时效后有一定程度降低，主要受γ′相尺寸、形貌、晶界粗化和枝晶均匀化的影响。

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