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EBPVD制备Y_2O_3弥散强化FeCrAl薄板力学行为及微观结构

林秀  
【摘要】: 氧化物弥散强化(ODS)合金以其优异的高温性能成为可重复使用飞行器金属热防护系统面板的候选材料。然而目前ODS合金的制备方法在制备大尺寸薄板材料时存在加工困难,氧化物颗粒尺寸难以控制等问题。作为一种涂层制备方法,电子束物理气相沉积(EBPVD)方法也可以用来制备ODS合金薄板材料,并以其工艺简单,沉积速度快,氧化物含量,尺寸,分布易于控制,和近净成形的特点具有独特优势。然而作为一种制备ODS合金薄板材料的新方法,EBPVD方法制备的材料的组织结构控制和力学性能优化问题亟待解决。 本文以EBPVD方法制备的Y2O3弥散强化FeCrAl高温合金薄板材料为研究对象,主要研究了四个方面的内容:制备态材料的组织结构及形成机理;弥散强化相氧化钇的表征及强化机制;材料的室温及高温拉伸行为及主要变形机制;材料的蠕变行为及蠕变本构方程。具体研究方法和主要结论如下: 改变基板旋转速度和蒸汽入射方式两个工艺参数,用扫描电子显微镜(SEM)观察不同基板旋转速度和蒸汽入射方式下制备材料的表面和截面形貌;用X射线极图方法表征不同蒸汽入射方式下薄板不同厚度处的织构。发现EBPVD方法制备的ODS合金薄板组织形貌可控,通过调整工艺参数,可以获得螺旋状或是柱状晶组织形貌。基于薄板晶粒生长跟随蒸汽入射方向变化的思想建立的柱状晶的倾斜角度的几何模型,可以实现对蒸汽入射角度时时非对称变化的复杂情况下的柱状晶倾斜角度的半定量计算。建立了蒸汽入射方式,组织形貌,晶体学取向三者的关系。解释了蒸汽入射方式影响组织形貌和晶体学取向的本质原因。 用X射线衍射(XRD),高分辨/透射电子显微镜(HR/TEM),X射线光电子能谱(XPS),电子背散射衍射(EBSD)技术表征了材料的亚结构,氧化钇颗粒的晶体结构,价态,尺寸及分布,高温长时间(800℃220h)保温处理后的弥散相尺寸和分布。发现氧化钇颗粒呈球形或椭球形均匀弥散的分布于基体晶粒中,颗粒尺寸在几纳米到几十纳米的范围,可以通过调整工艺参数控制基体晶粒尺寸和氧化钇颗粒尺寸。氧化钇颗粒通过细晶强化和Orowan强化机制提高材料的室温强度。不同于机械合金化方法制备ODS合金中形成复杂氧化物的情况,EBPVD方法制备的铁基ODS合金中Y和O元素以稳定的体心立方结构的α-Y2O3形式存在。晶体晶粒和氧化钇颗粒在800℃高温下组织结构的稳定性很好。 研究了氧化钇含量分别为0、0.8wt.%和1.2wt.%的FeCrAl合金薄板的室温和高温(500℃-1000℃)拉伸变形行为,用TEM方法表征了拉伸变形区的微观结构,讨论了不同温度拉伸的主要变形机理。发现通过添加氧化钇弥散相,能够显著地提高材料的高温强度,800℃含0.8wt.%Y2O3的材料强度提高51.2%;1000℃含1.2wt.%Y2O3的材料强度提高64.0%。但氧化钇的添加量要根据使用温度来选择,氧化钇含量越高材料越脆。 对比研究了氧化钇含量为1.2wt.%的FeCrAl合金薄板和不含氧化钇的FeCrAl合金薄板的蠕变行为(575℃-625℃,800℃-900℃),用TEM和EBSD方法表征了蠕变变形区的微观结构,建立蠕变本构方程。发现加入1.2wt.%Y2O3后,材料在900℃,20MPa的稳态蠕变速率降低了95.55%;材料的蠕变激活能由接近基体材料自扩散激活能的水平提高到2.45倍于基体材料自扩散激活能的水平。


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