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选区激光熔化镍基粉末高温合金组织与性能

郝志博  
【摘要】:选区激光熔化技术具有较高的复杂形状零件近净成形能力,应用该技术制备高温合金零部件,能够实现结构简化和减重,提高航空发动机的推重比。目前选区激光熔化制备镍基高温合金的研究尚属早期阶段,相关的实验数据较为缺乏。基于此,本文以FGH4096镍基粉末高温合金为研究对象,开展研究工作。论文主要内容和结论如下:文中研究了激光功率、扫描速度和重熔率对选区激光熔化FGH4096合金的影响,进而获得较优制备工艺参数,即激光功率95W,扫描速度1200mm/s,重熔率30%。并通过计算获得较优输入线能量为2.64 J/mm2,较优输入单位体积能量为105.56 J/mm3。在此基础上,对沉积态合金组织与性能进行了表征,沉积态合金以奥氏体基体γ相为主,少量且尺寸低于100nm的γ'相和碳化物分布于合金内部,因而合金具有较高的延伸率,在成形方向上高达25.9%,但合金强度相对较低,近1204.13MPa。合金内以柱状晶为主,晶内规则排列着精细的树枝结构和等轴结构,平均宽度约为0.5μm。树枝结构和等轴结构边界处存在大量位错,因而沉积态合金内存在较大应变。通过合金热处理的研究发现,在成形方向上直接时效态合金具有较高的室温拉伸强度,断裂强度高达1595.56MPa,屈服强度高达1459.46MPa。直接时效态合金仍保持了沉积态晶粒形貌,当固溶温度在1010℃-1090℃,合金保持柱状晶组织,合金内二次γ'相沿树枝结构生长方向排列析出,当固溶温度为1110℃时,达到合金的回复和再结晶温度,树枝结构和等轴结构消失,合金晶粒趋于等轴化,在1100℃以上时,合金接近或处于过饱和状态,在后续时效过程中合金强化元素以三次γ'相形式均匀析出,固溶温度越高,晶粒取向越趋于随机状态。为使合金晶粒趋于等轴化,降低合金织构,同时形成多尺寸分布γ'相形态,采用双重固溶+时效处理的方式,优化合金组织结构,增加晶界强度,此过程中观察到大尺寸γ'相吸收小尺寸γ'相方式和相近尺寸γ'相融合方式促进γ'相长大的机制。为进一步提高合金的性能,研究了三种不同温度热等静压对组织结构的影响,进而研究了不同热处理制度对1130℃热等静压合金组织的影响,以此为基础,进一步研究了不同温度热等静压合金经热处理后的组织与性能。通过对比研究发现1130℃热等静压合金经1130℃固溶+时效处理后室温、高温性能相对较高,其断裂强度分别为1523.11MPa和1420.36MPa,屈服强度分别为1053.12MPa和1098.24MPa,断裂延伸率为17.34%和16.92%。合金经过热等静压和热处理后晶粒尺寸在成形方向减小,趋于等轴晶,且呈不规则形状,树枝结构和等轴结构基本消失。对1130℃热等静压,后经1130℃固溶+时效处理的合金进行蠕变性能研究,在650℃/690MPa下,合金蠕变寿命达900h,断裂延伸率22%,同时在该条件下研究了不同阶段的蠕变行为,发现蠕变变形机制为初期以位错增殖后发展为位错切割γ'相,进而后期大量堆垛层错切割γ'相。通过研究不同温度对蠕变性能的影响,计算出合金蠕变激活能为330.90kJ/mol,发现合金失效机制为沿晶裂纹的萌生和扩展。


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