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新型Ni-Co基变形高温合金的成分设计与组织性能关系

作　者: 王衣
导　师: 张澜庭
学　校: 上海交通大学
专　业: 材料学
关键词: Ni-Co基变形高温合金 JMatPro热力学计算 γ/γ′相晶格错配度 TCP相加工窗口高温力学性能
分类号: TG132.32
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

为了进一步提高镍基高温合金的服役温度,满足航空发动机对于提高发动机效率的需要,通常在镍基高温合金中增加难熔元素Mo、W等的添加量,增强合金的固溶强化能力。但此类元素的增加会加剧高温合金的偏析,减小合金的加工窗口,增加合金高温服役过程中的组织不稳定性,加剧合金使用过程中TCP相的析出,对合金的制备和使用带来不利影响。因此希望在不增加合金难熔元素含量的前提下,通过调整合金中Al、Ti、Co元素的含量,提高合金的固溶强化和析出强化能力,抑制合金高温服役过程中有害相的析出,并且确保合金具有良好的加工性能。本文使用热力学计算和实验分析的方法,研究了利用Co3Ti强化的新型Ni-Co基高温合金中Al、Ti、Co元素含量变化对合金高温力学性能和可加工能力的影响。本文利用热力学计算软件JMatPro和相应的镍基高温合金数据库,研究了新型Ni-Co基高温合金的化学成分对平衡相的析出行为、加工性能和γ/γ′晶格错配度的影响。结果表明:Ti/Al值(原子比)和Ti+Al含量的增加可以分别提高合金中γ/γ′相的晶格错配度和γ′析出相的含量,提高合金的高温强度。Co含量的升高可以拓宽合金的加工窗口,改善合金的加工能力,增加合金?γ/γ′相的晶格错配度,提高合金析出强化的效果。同时,Ti/Al值的增加促进合金中η相析出,而Co含量的增加具有抑制η相的效果。因此,在Co含量较高的Ni-Co基高温合金中,适当提高Ti含量可以提高合金中γ′相的含量和?γ/γ′相的晶格错配度,增加合金的析出强化效果,但是Ti/Al值过高会增加合金中η相析出,不利于合金高温服役时的组织稳定。制备四种Al、Ti、Co元素含量不同的Ni-Co基高温合金。实验表明,新型Ni-Co基高温合金具有良好的加工能力,在合适的温度区间内可以进行轧制等变形处理。合金经过轧制变形后,枝晶破碎,合金中的组织均匀性明显提高。合金进行固溶处理和两次时效处理后,可以得到弥散分布于基体的一次γ′析出相和尺寸更细小的二次或三次γ′析出相。对四种Al、Ti、Co元素的含量不同的Ni-Co基高温合金的微观组织进行分析后发现,在Ti/Al值为1.8的合金中,铸态和轧制态均析出了一些板条状η相,而在其它几种Ti/Al值较低的合金中没有η相析出。在不同温度下对合金进行拉伸实验后发现,在750℃及以下温度区间内,Ti/Al值和Ti+Al含量较高的合金具有良好的拉伸屈服强度。但是在750℃以上,Ti/Al值较高的合金屈服强度随温度升高明显下降,而Ti+Al含量较高的合金仍能保持较高的屈服强度。因此在Ni-Co基变形高温合金中可适当提高Ti+Al含量,但应严格控制Ti/Al值。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-11
第一章绪论  11-30
  1.1 引言  11-12
  1.2 镍基高温合金  12-15
    1.2.1 镍基高温合金的分类及应用  12-13
    1.2.2 镍基高温合金的强化机理  13-15
  1.3 镍基变形高温合金  15-20
    1.3.1 镍基变形高温合金的研究进展  15-17
    1.3.2 镍基变形高温合金发展中遇到的困难  17-20
  1.4 Ni-Co 基高温合金  20-25
    1.4.1 Ni-Co 基高温合金的设计思路  20-21
    1.4.2 Ni-Co 基高温合金的微观组织  21-25
  1.5 镍基合金相平衡计算的发展  25-27
  1.6 本课题的研究意义  27-28
  1.7 本文研究的内容及目标  28-30
第二章 Ni-Co 基高温合金平衡析出相的热力学计算与合金设计  30-46
  2.1 引言  30
  2.2 Ni-Co 基高温合金成分优化思路  30-31
  2.3 热力学计算方法  31-33
    2.3.1 热力学计算软件JMatPro 的介绍  31-32
    2.3.2 热力学计算方法  32-33
  2.4 Ni-Co 基高温合金的热力学平衡相  33-34
  2.5 合金元素Al，Ti 和Co 对有害相的影响  34-37
    2.5.1 Ti/Al 值对η相析出的影响  34-36
    2.5.2 Co 含量对σ相和η相析出的影响  36-37
  2.6 合金元素Al，Ti 和Co 对γ′相析出与γ/γ′晶格错配度的影响  37-40
    2.6.1 Ti/Al 值对有γ′相析出与γ/γ′晶格错配度的影响  37-39
    2.6.2 Ti+Al 含量对晶格错配度的影响  39-40
    2.6.3 Co 含量对有晶格错配度的影响  40
  2.7 合金元素Co 对合金加工性能的影响  40-41
  2.8 Ni-Co 基高温合金的力学性能验证  41-45
    2.8.1 试样的制备  41-42
    2.8.2 合金的高温屈服强度  42-45
  2.9 本章小结  45-46
第三章 Ni-Co 基高温合金的制备方法和加工性能  46-55
  3.1 引言  46
  3.2 合金的熔炼  46-49
  3.3 合金的变形处理  49-52
    3.3.1 合金的加工窗口  50-51
    3.3.2 合金的变形工艺  51-52
  3.4 合金的热处理  52-54
    3.4.1 冷却速度对合金析出相的影响  52-53
    3.4.2 合金的热处理工艺  53-54
  3.5 本章小结  54-55
第四章 Ni-Co 基高温合金的微观组织分析  55-75
  4.1 引言  55
  4.2 试样的制备与实验方法  55-56
  4.3 变形处理对Ni-Co 基高温合金微观组织的影响  56-61
    4.3.1 铸态的微观组织  56-57
    4.3.2 5096轧制变形的微观组织  57-59
    4.3.3 7596轧制变形的微观组织  59-61
  4.4 合金元素Al，Ti，Co 对Ni-Co 基高温合金微观组织的影响  61-66
    4.4.1 Ni-Co 基高温合金中的γ′析出相  61-63
    4.4.2 Ti/Al 值对合金析出相的影响  63-66
  4.5 Ni-Co 基高温合金γ/γ′的晶格错配度  66-73
    4.5.1 用TEM 分析合金γ/γ′相晶格错配度  67-69
    4.5.2 用XRD 分析合金γ/γ′相晶格错配度  69-73
  4.6 本章小结  73-75
第五章结论  75-77
参考文献  77-81
致谢  81-82
攻读硕士学位期间已发表或录用的论文  82-84

新型Ni-Co基变形高温合金的成分设计与组织性能关系

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