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GH4151合金高温变形行为及组织与性能控制研究

吕少敏  
【摘要】:GH4151合金作为一种新型难变形镍基高温合金,因其优异的综合性能和较高的服役温度,成为最具发展潜力的新一代涡轮盘用变形高温合金。该合金添加了约35 wt.%的固溶强化元素(Co、Cr、W、Mo),而高达10wt.%左右的沉淀强化元素(Al、Ti、Nb),是沉淀强化元素含量最高的涡轮盘用变形高温合金。GH4151的高合金化特点,一方面能够提高合金的服役温度和高温强度,但不可避免地降低了合金的热加工性能;另一方面合金中元素的微观偏析和高达52%的γ'强化相,使得合金在热加工条件下组织演变非常复杂,组织与性能控制难度极大。GH4151作为一种新型高温合金材料,目前关于热加工与热处理方面的基础研究较少,尤其是关于该合金高温变形行为及动态软化机制、不同热处理下组织与性能控制方面缺乏系统深入的研究。针对上述问题,本文开展了如下研究工作:(1)采用热物理模拟试验研究了热挤压态合金高温变形行为,建立了基于双曲正弦型的Arrhenius本构关系模型和动态材料模型(DMM)的热加工图,确定了挤压棒材热变形、盘锻件模锻的最优热加工区间。研究表明,盘锻件模锻的最佳热加工区间为:1045-1125℃、应变速率ε10-2.5s-1。(2)为了验证热挤压态合金的超塑性的有效性,本文研究了合金分别在1060℃、1080℃和 1100℃,10-4 s-1、5×10-4 s-1和10-3 s-1应变速率下的超塑性拉伸行为。不同温度下应变速率敏感系数分别为m1060℃=0.69,m1080℃=0.73,m1100℃=0.73,不同应变速率下变形激活能分别为Q10-4=192kJ/mol,Q5×10-4=258kJ/mol,Q10-3=342kJ/mol。研究表明,当应变速率ε=10-4s-1拉伸时,超塑性变形主要以晶界扩散控制的晶界滑动机制为主;而ε=5×10-4 s-1和ε=10-3s-1时,以体扩散控制的晶界滑移机制为主。(3)研究了热挤压态合金高温变形过程中的组织演变特征,阐明了合金在本试验条件下的动态再结晶机制并确定了最优的工艺区间。研究表明,合金的动态再结晶机制除了传统的非连续动态再结晶(DDRX)与连续动态再结晶(CDRX),其中大量分布于晶界的一次γ'相(γ'I)导致了异质形核动态再结晶(Heteroepitaxial Dynamic Recrystallization,HDRX)的发生,大块γ'I沉淀相与其宿主晶粒存在相同的晶体学取向关系,这为γ'I相在动态再结晶过程中作用给出了新的解释。(4)本文以热挤压态合金为研究对象,研究了亚固溶条件下晶界处一次γ'相(γ'I)的回溶和晶粒长大行为,并建立了引入时间指数m的Sellars晶粒长大动力学模型,揭示了γ'Ⅰ回溶度与晶粒长大关联性规律;研究了亚固溶后单斜率不同冷速冷却及先缓冷后快冷的双斜率控冷处理下γ'相的演变规律,实现了γ'相双模态分布的析出控制;据此确定了合金的标准热处理制度。研究表明,热处理态合金具有优异的力学性能:室温抗拉强度和屈服强度、750℃/650MPa 高温持久寿命分别为 1666.5MPa 和 1306.5MPa、173.35 h。(5)研究了合金长期热暴露实验过程中的γ'Ⅱ相演变特征。结果表明,750℃下热暴露5000h后,γ'Ⅱ相并未明显长大;800℃下,γ'Ⅱ相演变遵循体扩散控制的Ostwald熟化过程,且基于经典的LSW理论的γ'Ⅱ相粗化速率常数k值为690.5nm3/h。表明合金在750℃~800℃服役温度γ'Ⅱ相具有长时稳定性,而力学性能衰减主要与晶界宽度增大和μ相的析出有关。综上,本文通过对新型难变形高温合金GH4151合金高温变形行为及组织与性能控制研究,揭示了合金的工艺参数-微观组织-力学性能的对应关系,为合金工程化制备提供理论和实验指导。


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