不同熱處理工藝對高溫合金GH4169δ相的析出量的影響和δ相對合金GH4169拉伸變形行為的影響摘要

1、不同熱處理工藝對高溫合金不同熱處理工藝對高溫合金GH4169相的析出相的析出量的影量的影響響以及以及相對合金相對合金GH4169拉伸變形行為拉伸變形行為的影響的影響第一章 緒論1.1 引言引言 GH4169高溫合金是一種已在航空航天、動(dòng)力、發(fā)電、石油、化工以及艦船等領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的結(jié)構(gòu)性材料。GH4169高溫合金在-253700溫度范圍內(nèi)具有良好的綜合性能，650以下的屈服強(qiáng)度變形高溫合金的首位。該變形鎳基高溫合金有良好的抗疲勞、抗腐蝕、抗輻射、抗氧化性能以及良好的加工性能、焊接性能和長期組織穩(wěn)定性，能夠制造各種形狀復(fù)雜的零部件，基于它的這些性能，它可以用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要轉(zhuǎn)動(dòng)部件，例如壓

2、氣機(jī)盤、封嚴(yán)盤、渦輪盤和渦輪軸等。 該合金的另一特點(diǎn)是合金組織對熱加工工藝特別敏感，掌握合金中相析出和溶解規(guī)律及組織與工藝、性能間的相互關(guān)系，可針對不同的使用要求制定合理、可行的工藝規(guī)程，就能獲得可滿足不同強(qiáng)度級別和使用要求的各種零件。1.2 GH4169的成分與組織的成分與組織 合金的成分合金的成分 GH4169高溫合金的組織性能差異主要表現(xiàn)在s、nb、c、o、n和痕量元素的掌控上面，控制以上元素在給定區(qū)域內(nèi)，可以降低這些元素的含量從而將普通GH4169高溫合金轉(zhuǎn)變?yōu)閮?yōu)質(zhì)的GH4169高溫合金。降低碳含量，優(yōu)質(zhì)GH4169高溫合金能降低合金脆性，提高抗疲勞性和合金強(qiáng)度；降低硫含量，可以提高持

3、久性能和塑性；降低痕量元素，可以使合金材料的使用壽命延長;增加鈮，合金的強(qiáng)度提高。1.2.2 GH4169的顯微組織與相的顯微組織與相 經(jīng)過固溶退火處理+時(shí)效處理的GH4169合金的微觀組織主要由奧氏體基體基體、彌散分布的強(qiáng)化相（ 相 、“ 相）、 相以及分布少量的NbC 、TiN等?；疚⒂^組織如圖11。1)基體 基體為面心立方結(jié)構(gòu),主要元素(Ni的含量達(dá)到53時(shí)，屈服強(qiáng)度可以得到最高)。能夠溶入大量的Co、Mo、Cr等合金元素，晶格點(diǎn)陣常數(shù)是。在時(shí)效過程中，將從基體中析出三種不同的沉淀相（、“、）。2）相 相的成分是Ni3（Al、Ti、Nb），為面心立方LI2結(jié)構(gòu)，Ni原子位于面心位置，A

4、l原子位于面心立方點(diǎn)陣的頂點(diǎn)出，點(diǎn)陣常數(shù)a是，形狀為球狀|。比較之下相組織穩(wěn)定性較高。相的溶解溫度范圍為843871，析出溫度范圍為593816。3）“相 作為該合金的主要強(qiáng)化相，其形狀為圓盤狀，成分為Ni3Nb，屬于體四方DO22結(jié)構(gòu)，它的單位晶胞及（111）面上的原子排列情況如下圖12所示。強(qiáng)化相的特點(diǎn)是可以獲得比較高的屈服強(qiáng)度，這是因?yàn)榛w與強(qiáng)化相之間的點(diǎn)陣錯(cuò)配度較大，顯著的共格應(yīng)力強(qiáng)化效果造成的。由于相是個(gè)亞穩(wěn)的過渡相，在長期的高溫作用下，相非常容易聚集并且長大，并且相向相的轉(zhuǎn)變會(huì)發(fā)生，因此失去共格性，導(dǎo)致強(qiáng)度的大大降低。因此，GH4169高溫合金的工作溫度小于650700。因?yàn)榕c基體

5、的界面非常適宜于相生成，所以，我們總是發(fā)現(xiàn)“相析出在相的（100）面上，”相析出溫度大約為595870，溶解溫度為870930，析出峰值的溫度大約為732760。4）相 相是正交結(jié)構(gòu)，其（010）面原子排列和單位晶胞如圖13所示。在富Nb的晶界和孿晶上，相大多以一定取向呈短棒狀或針片狀析出，位界上的球形相卻被研究發(fā)現(xiàn)是無規(guī)則取向的。根據(jù)有關(guān)的文獻(xiàn)報(bào)道，相的晶粒大小是與尺寸有關(guān)的，相的長度隨著品粒尺寸的增加也在增加。相的析出需要一定的孕育期且析出溫度約為780980。掘相關(guān)的文獻(xiàn)報(bào)道：孕育期的長短和固溶溫度有顯著關(guān)系，孕育期隨著固溶溫度的增高而增長，這有可能是因?yàn)闇囟仍礁撸嗳芙庠匠浞侄鸬模?/p>

6、相的平衡量在時(shí)效過程中與晶粒度有關(guān)，可供相形核的總晶界的面積隨著晶粒長大降低了，所以，相析出的數(shù)量減少。因?yàn)橄嗟娜芙鉁囟葹?821037，小于相溶解溫度范圍以下的固溶處理，晶粒長大的能夠由合金中原來存在的相控制。1.2.3 GH41691.2.3 GH4169合金的相變合金的相變相向相的轉(zhuǎn)變 GH4169是含Nb量較高的鎳基高溫合金材料。在凝固過程中，相析出在Ti、Nb較高的枝晶間，在相的層錯(cuò)上相會(huì)首先形核，相形核后將會(huì)長入基體，并且最終基體上取代原來的相，最后形成了相。相到相的轉(zhuǎn)變過程N(yùn)b元素會(huì)被吸收，貧帶在相兩側(cè)形成。相的析出形狀在高溫度下為短棒狀，在較低溫度下為針狀。1.2.4 GH41

7、691.2.4 GH4169相與應(yīng)用溫度的關(guān)系相與應(yīng)用溫度的關(guān)系 在GH4169合金中，相是面心立方晶系的穩(wěn)定相，該相的數(shù)量因Al、Ti含量較低所以較少，產(chǎn)生強(qiáng)化作用是因?yàn)樵?20 時(shí)效期間析出細(xì)小的顆粒 相呈圓盤狀，是GH4169合金的主要強(qiáng)化相，是體心四方晶系的亞穩(wěn)定相。720析出尺寸較小，在870保溫期間析出的尺寸較大，所以該合金的時(shí)效溫度設(shè)置在720。 相是一種正交晶系的穩(wěn)定相，該相的數(shù)量與形貌取決于熱加工參數(shù)，980大量溶解，900是該相的析出峰，1020能全溶。1.3 本次研究的意義、目的與內(nèi)容本次研究的意義、目的與內(nèi)容 長期以來，各個(gè)國家的科技人員投入了大量的的精力，物力和財(cái)力來

8、研究GH4169高溫合金，美國的TMS協(xié)會(huì)自1989-2005年已舉辦了6屆關(guān)于GH4169高溫合金的國際性研討交流會(huì)，可見GH4169的研究價(jià)值和重要性，GH4169高溫合金在-253700溫度范圍內(nèi)具有良好的綜合力學(xué)性能，而且650以下的屈服強(qiáng)度在高溫合金中排在較高的位置，由于具有優(yōu)越的化學(xué)、機(jī)械和物理性能，在飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)以及火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中得到了廣泛的應(yīng)用。本文分析不同熱處理工藝對相析出量的影響以及相對拉伸性能的影響。為GH4169高溫合金的熱處理和加工提供重要的研究依據(jù)，對提高企業(yè)中的產(chǎn)品質(zhì)量起到重要的作用。構(gòu)思框圖構(gòu)思框圖GH4169合金組織與性能激光快速成形GH4169不同熱處理對相析出

9、量的影響拉伸性能分析實(shí)驗(yàn)設(shè)備成形原理成形工藝熱處理方案金相對比電鏡對比延伸率斷裂方式斷裂機(jī)制結(jié)論第二章 連續(xù)點(diǎn)式鍛壓激光快速成形GH41692.1 2.1 激激光快速成形技術(shù)光快速成形技術(shù)簡介簡介 激光快速成形技術(shù)是激光熔覆技術(shù)和快速原型RP（Rapid Prototyping）技術(shù)基礎(chǔ)上結(jié)合發(fā)展起來的一項(xiàng)先進(jìn)的制造技術(shù)，可以通過數(shù)控將三維模型直接加工制造，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、性能優(yōu)異的金屬零件的無模具的快速成型。激光快速成形不僅可以用于直接快速制造一些具有一定機(jī)械強(qiáng)度、能夠承受一定力學(xué)載荷的航空航天類特殊金屬零件，也可以用于零件上具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)形狀、一定深度制造缺陷、誤加工或服役損壞的修復(fù)和再制造。

10、它把傳統(tǒng)的“去除”式加工法改為“增加”式加工法。激光快速成形原理圖激光快速成形原理圖2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備實(shí)驗(yàn)設(shè)備DL-HL-2000L CO2激光器成形裝置與氣體保護(hù)箱數(shù)控平臺送粉裝置2.3 實(shí)驗(yàn)過程實(shí)驗(yàn)過程 激光熔化沉積成形實(shí)驗(yàn)，生成一定形貌的激光熔化沉積層，并經(jīng)過線切割形成一定形狀的試樣。（其中有單向掃描方式和編織掃描方式） 不同沉積路徑示意圖GH4169鍛件基體連續(xù)點(diǎn)式鍛壓激光成型過程成形的實(shí)驗(yàn)試樣第三章 不同熱處理工藝對高溫合金GH4169 相的析出量的影響3.1 熱熱處處理方案理方案（1） 960，2h，空冷，代號a （2） 960，1h，空冷，代號b3.2 制備試樣過程制備試樣過程1）

11、鑲嵌 由于一些試樣太小、太薄，難以進(jìn)行砂紙打磨和拋光，所以需要對其進(jìn)行鑲嵌。鑲嵌時(shí)溫度加熱到130，期間還要保持一定壓力，定時(shí)進(jìn)行壓緊，隨后保溫810min，之后冷卻，當(dāng)溫度下降至40以下，取出試樣。2）磨制試樣 首先粗磨然后細(xì)磨，具體操作步驟：將金相砂紙放在厚玻璃板上，從粗到細(xì)依次選擇砂紙。待試樣被磨面的磨痕方向一致時(shí)，方向調(diào)轉(zhuǎn)90，然后繼續(xù)磨制。隨后更換下一號細(xì)砂紙，更換前應(yīng)首先將試樣清洗干凈，以方便觀察上一號砂紙的磨痕是否已經(jīng)全部消除。3）拋光 拋光時(shí)，用手捏緊試樣，將試樣磨面均勻地、平整地壓在旋轉(zhuǎn)的拋光盤上，拋光時(shí)注意試樣放置的位置，試樣飛濺的方向應(yīng)朝向操作人員的對側(cè)，另外拋光壓力不宜

12、過大，拋光的評判標(biāo)準(zhǔn)為試樣表面觀察不到明顯的劃痕。4）腐蝕 金屬類材料在各處的化學(xué)成分以及組織不盡相同，它們的原子排列情況和電極電位都是不相同的，故腐燭液的配置也不同。對于鎳基合金采用的腐燭液為：80%HCL+13%HF+7%HNO3。3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析果與分析腐蝕后的試樣在金相顯微鏡和掃描電子顯微鏡下觀測，如下圖A 不同熱處理工藝的合金的顯微組織B 不同熱處理工藝的合金相形態(tài) 由圖A可以看到,2種熱處理合金的晶粒大小無明顯差異，晶粒度均為9級左右。由圖B的掃描電子顯微鏡照片可以發(fā)現(xiàn)，a和b處理后，晶界處析出了短棒和顆粒狀的相，且A的相數(shù)量明顯多于B圖。 根據(jù)文獻(xiàn)介紹：相的溶解溫度在

13、 980 以上，當(dāng)晶界 相溶解時(shí)， 相對晶粒尺寸的抑制作用開始消失，晶粒會(huì)隨溫度的升高和保溫時(shí)間的延長而長大。 本實(shí)驗(yàn)兩種熱處理工藝溫度都在980以下，析出的 相抑制了晶粒的長大，故晶粒的大小不隨保溫時(shí)間的變化而變化。2種固溶處理工藝的區(qū)別在于合金隨保溫時(shí)間的延長而導(dǎo)致 相析出量的增多。第四章 相對GH4169拉伸變形行為的影響4.1 實(shí)驗(yàn)材料與方法實(shí)驗(yàn)材料與方法 采用線切割和磨削的方式將修復(fù)試樣加工成拉伸試樣，尺寸如下圖所示，然后利用 Z050 型試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫拉伸，拉伸時(shí)采用位移控制，加載速率 1 mm/min。4.2 室溫拉伸斷口形貌特征室溫拉伸斷口形貌特征GH4169合金室溫拉伸斷口形貌如下圖所示。在本實(shí)驗(yàn)條件下，GH4169合金拉伸斷口主要表現(xiàn)為韌窩狀斷口。由于相含量較高且集中在晶界，斷口表面存在由于相集中而導(dǎo)致的較大尺寸的空洞，并且相越多空洞越大。ab第五章 結(jié)論1） 通過固溶處理實(shí)驗(yàn)，分析了GH416