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电场处理对镍基高温合金组织演化、变形行为与耐腐蚀性能的影响

作　者: 刘杨
导　师: 王磊
学　校: 东北大学
专　业: 材料学
关键词: 镍基高温合金静电场热处理脉冲电流处理组织演变变形行为耐腐蚀性能再结晶
分类号: TG132.32
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

高温合金是标志国家科技发展水平及国防能力的重要金属材料,一直都是世界各国材料领域研究的关键。但随着对性能要求的不断提高,合金化程度也随之增加,出现了诸如加工塑性差、长期时效后韧塑性下降、表面稳定性降低等诸多制约其发展与应用的瓶颈性问题。近年来,由材料科学及电磁学交叉而形成材料电磁学。电磁场处理以其具有能量密度高、可精确控制等诸多优点受到世人关注。电场作为除常用的温度场、应力场外的重要能量场,对材料具有强烈的作用,而且当与温度场、应力场协调应用时能够产生单纯温度场、应力场无法达到的耦合作用。本文以我国航空航天领域正在应用的镍基变形高温合金(GH4199、GH4586及GH3625合金)为对象,研究了静电场及脉冲电流下合金的组织演化、电场处理对镍基变形高温合金变形及腐蚀行为的作用机理。材料各种性质主要取决于材料中的微观结构和缺陷(包括空位、位错、亚晶界及晶界等)等因素,通过改变这些微观结构和缺陷,可实现控制材料组织、改善其性能之目的。本文通过研究静电场下镍基变形高温合金(GH4199、GH4586)的显微组织演化规律及处理后拉伸变形行为,揭示静电场处理影响镍基变形高温合金组织及拉伸变形行为的机理。结果表明,长期时效镍基变形高温合金在高温静电场热处理过程中,实际静电场、电流场及温度场共存,静电场强度的增加是促进元素扩散的主要因素,随静电场强度的提高,合金中的碳化物和TCP相的数量和尺寸增加。适当静电场强度及温度条件下,镍基变形高温合金中孪晶数量随处理时间的延长而增加。低应变速率变形中,静电场热处理镍基变形高温合金中出现的大量退火孪晶界面能够改变位错滑移方向,并使裂纹穿过孪晶界扩展时发生方向偏转。由此,使得合金变形过程中塑性变形功增加,推迟断裂时间,进而提高合金塑性。增加应变速率,晶内开动的滑移系数量增加,塑性变形能力随之提高；但合金晶界处的连续分布的碳化物对晶界的弱化作用逐渐显露,晶界与晶内塑性变形能力差异增大,晶界成为断裂的主要途径,导致合金塑性降低。在要求高温合金具有一定高温强度、高温塑性的同时,抗氧化性能、抗热腐蚀性能、抗辐射性能以及在特定环境下的耐腐蚀性能等对于合金的使用安全亦尤为重要。本文通过对优化参数下静电场热处理后GH4199合金组织及耐腐蚀性能等的分析,总结了静电场热处理对合金耐腐蚀性能的影响规律及机理。结果表明,静电场热处理过程中合金晶内退火孪晶的萌生、长大,使得原始大角度晶界与退火孪晶相交处各元素原子重新排列,改善原始大角度晶界处Cr、Mo等合金元素在晶界附近的贫化。该种低能界面隔断了原始大角度晶界、阻碍腐蚀沟推进,从而提高了镍基变形高温合金抗腐蚀能力。本文将脉冲电流处理方法应用于镍基高温合金,分析高密度电脉冲下合金组织的变化规律及机理,研究脉冲电流处理对合金变形行为的影响。结果表明,脉冲电流处理中,脉冲电子流加剧合金原子自身的热振动,降低合金原子跃迁激活能；脉冲电流处理初期由于瞬时升温形成的热应力,提高合金中的空位浓度,加速合金中的原子扩散,改变相析出与长大的热力学及动力学条件,促进γ’相的粗化及碳化物的低温析出与快速长大。脉冲电流作用下,GH4199合金中γ’相的粗化遵循L-S-W理论,γ’相的粗化激活能为89.86kJ/mol,与时效过程中γ’相粗化激活能(251.84 kJ/mol)相比降低64.31%；晶界M23C6型碳化物在600℃即可析出。脉冲电流处理后GH4199合金中γ’相的长大及晶界M23C6型碳化物的析出是阻碍位错运动、提高塑性变形抗力(处理20 min,σs提高19.97%)的主要原因。再结晶作为变形多晶材料重要的组织变化过程,对于实现材料的强韧化具有重要意义。本文将脉冲电流处理方法应用于冷轧变形后的镍基变形高温合金(GH4199、GH3625),研究脉冲电流下合金的静态再结晶行为,探讨脉冲电流影响合金再结晶过程的机理。脉冲电流下,冷变形高温合金中缺陷运动、重组更加容易,原子扩散激活能大幅度降低,原子扩散速率提高,从而改变发生再结晶的热力学及动力学条件,使合金在较低温度下短时间即可发生再结晶,而且与单一温度场相比,再结晶进程加快。总之,本文研究了电场下镍基变形高温合金组织演化的新的现象,并对电场处理后合金变形及腐蚀行为进行了分析,揭示了合金组织、变形及腐蚀行为变化的电场作用机理。研究结果有助于材料电磁学的发展,并为改善变形高温合金的组织、进而改善力学及耐腐蚀性能提供创新性的思路与途径。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-11
目录  11-15
第1章绪论  15-45
  1.1 研究背景  15-16
  1.2 高温合金的发展与研究现状  16-24
    1.2.1 高温合金的发展概况  16-19
    1.2.2 高温合金的我国航空发动机上的应用  19
    1.2.3 高温合金在我国航天领域的应用  19
    1.2.4 高温合金的强韧化  19-23
    1.2.5 高温合金领域亟待解决的问题  23-24
  1.3 材料的电场处理技术  24-30
    1.3.1 材料电磁过程(EPM)概况  24-25
    1.3.2 金属的静电场热处理及应用  25-26
    1.3.3 金属的电流场处理及应用  26-29
    1.3.4 电场处理在高温合金研究领域的研究现状  29-30
  1.4 本文研究目的与主要内容  30-32
  参考文献  32-45
第2章实验材料及研究法  45-53
  2.1 实验材料  45-46
  2.2 电场处理  46-48
    2.2.1 静电场热处理工艺  46-47
    2.2.2 脉冲电流处理工艺  47-48
  2.3 合金拉伸性能的评价  48-49
    2.3.1 合金静态拉伸性能的评价  48
    2.3.2 合金动态拉伸性能的评价  48
    2.3.3 薄样品静态拉伸性能的评价  48-49
  2.4 合金耐腐蚀性能的评价  49
  2.5 合金显微组织、结构的表征与分析  49-51
    2.5.1 表面宏观形貌及显微组织观察  49-50
    2.5.2 显微组织的定量分析  50
    2.5.3 微结构与微区成分分析  50
    2.5.4 晶体取向分析及晶界重构  50-51
  参考文献  51-53
第3章静电场下镍基高温合金的组织演化  53-71
  3.1 引言  53
  3.2 实验材料及处理工艺  53
  3.3 静电场热处理参数对镍基高温合金组织的影响  53-60
    3.3.1 静电场强度对合金组织的影响  53-55
    3.3.2 静电场热处理温度对合金组织的影响  55-56
    3.3.3 静电场热处理时间对合金组织的影响  56-60
  3.4 静电场下镍基高温合金的组织演化机理  60-64
    3.4.1 静电场对金属中空位的作用  60-62
    3.4.2 高温下电介质介电强度下降而导致的脉冲热击穿电流作用  62-64
  3.5 本章小结  64-66
  参考文献  66-71
第4章静电场热处理对镍基高温合金静态及动态拉伸变形行为的影响  71-91
  4.1 引言  71
  4.2 实验材料及方法  71-72
  4.3 静电场热处理后合金的静态拉伸变形行为  72-81
    4.3.1 静电场热处理对合金拉伸性能的影响  72-74
    4.3.2 静电场热处理后合金的静态拉伸变形行为  74-78
    4.3.3 静电场热处理影响合金变形行为的机理  78-81
  4.4 静电场热处理后合金不同应变速率条件下的拉伸变形行为  81-84
    4.4.1 静电场热处理后拉伸性能随应变速率的变化  81
    4.4.2 静电场热处理后不同应变速率下的断口形貌  81-82
    4.4.3 静电场热处理后不同应变速率下的位错组态  82-84
  4.5 静电场热处理后合金拉伸性能的应变速率敏感性  84-86
  4.6 本章小结  86-88
  参考文献  88-91
第5章静电场热处理对镍基高温合金腐蚀行为的影响  91-107
  5.1 引言  91-92
  5.2 实验材料及方法  92
  5.3 静电场热处理对合金腐蚀行为的影响  92-97
    5.3.1 静电场热处理后合金的耐腐蚀性能变化  92-93
    5.3.2 静电场热处理对合金组织的影响  93-94
    5.3.3 静电场热处理后合金腐蚀表面形貌  94-97
  5.4 静电场热处理改善合金耐腐蚀性能的机理  97-101
    5.4.1 退火孪晶对合金腐蚀行为的影响  97-100
    5.4.2 静电场热处理对合金大角度晶界元素分布的影响  100-101
  5.5 本章小结  101-103
  参考文献  103-107
第6章脉冲电流处理对GH4199合金组织及变形行为的影响  107-127
  6.1 引言  107
  6.2 实验材料及方法  107-108
  6.3 脉冲电流下GH4199合金γ'相的长大行为  108-113
    6.3.1 脉冲电流处理对γ'相尺寸的影响  108
    6.3.2 脉冲电流下γ'相的长大动力学  108-112
    6.3.3 脉冲电流处理影响γ'相长大的机理  112-113
  6.4 脉冲电流处理对GH4199合金晶界碳化物的析出与长大行为的影响  113-116
  6.5 脉冲电流处理后GH4199合金的拉伸变形行为  116-122
    6.5.1 脉冲电流处理对GH4199合金拉伸性能的影响  116-117
    6.5.2 脉冲电流处理后GH4199合金的拉伸变形行为  117-122
  6.6 本章小结  122-123
  参考文献  123-127
第7章脉冲电流对镍基变形高温合金再结晶行为的影响  127-143
  7.1 引言  127
  7.2 实验材料及方法  127-128
  7.3 脉冲电流下镍基高温合金的再结晶  128-131
    7.3.1 脉冲电流下GH3625合金的低温再结晶  128-130
    7.3.2 脉冲电流对GH4199合金再结晶行为的作用  130-131
  7.4 脉冲电流处理影响合金再结晶行为的机理  131-137
  7.5 本章小结  137-138
  参考文献  138-143
第8章结论  143-145
创新点  145-147
攻读博士学位期间发表的论文  147-149
致谢  149-151
个人简历  151-152

电场处理对镍基高温合金组织演化、变形行为与耐腐蚀性能的影响

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