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两种高温合金及NiAl共晶合金的显微组织和力学性能

肖旋  
【摘要】: 本文开展了DZ417G、U720LI两种高温合金和NiAl-Cr(Mo)共晶合金的显微组织及力学性能的研究工作,为发展新型高性能高温结构材料提供重要的实验数据。研究内容包括:(1)DZ417G定向凝固合金的固溶冷却速率影响、循环热处理影响、长期稳定性、超温热处理影响;(2)U720LI变形高温合金的热稳定性和蠕变行为;(3)Ti含量对NiAl-31Cr-3Mo(原子百分数,下同)共晶合金显微组织的影响;(4)Ni-32Al-28Cr-3Mo-4Ti共晶合金的铸态组织、压缩性能、1000℃蠕变性能和断裂机制;(5)电磁离心铸造(EMCC)NiAl-28Cr-5.5Mo-0.5Hf-0.03P共晶合金的显微组织和压缩性能;结果表明: 固溶处理后较快的冷却速度促进DZ417G定向合金中二次和三次γ′强化相的形核。在冷却速度较慢时,二次γ′相析出充分,并抑制了三次γ′相的析出。合金在固溶态的室温硬度随冷却速度的提高而增加。经980℃/16h时效处理后,三次γ′颗粒粗化长大。冷却速度较快有利于拉伸强度的提高,而冷却速度慢有利于室温拉伸塑性的增加。控制固溶处理后的冷却速度可使合金得到最佳匹配的拉伸和持久性能。 随着循环热处理次数的增加,DZ417G合金中较大的γ′强化相的数量降低,弥散的γ′相间距减小,合金室温硬度随之上升,900℃抗拉强度稍有增大,拉伸塑性在三次循环热处理后有所下降。合金在980℃/216 MPa条件下持久寿命随循环热处理次数的增加而延长,但超过四次循环热处理后,持久寿命迅速下降。 DZ417G合金在800—900℃温度区间长达10000h时效过程中没有出现脆性的TCP相,表现出良好的长期组织稳定性。在时效过程中,γ′相和晶界析出相粗化长大,块状MC碳化物发生分解反应。随时效温度升高,室温抗拉强度提高,屈服强度下降,拉伸塑性增加。 U720LI合金在650℃和700℃长期(3000 h)时效过程中,初生γ′相和二次γ′相的形状、尺寸、数量都没有明显变化,没有有害的TCP相的生成,而三次γ′相显著受时效温度和时效时间的影响。650℃和700℃蠕变断裂寿命随着施加应力急剧下降,遵循双对数线性规律。在650℃蠕变过程中,蠕变第一阶段的形变量随着施加应力的增加单调增大,而在700℃蠕变时,蠕变第一阶段的形变量随着施加应力的增加先降后升。随着施加应力和蠕变温度的增加,合金的最小蠕变速率随之迅速增大。在高温低应力下,合金的蠕变机制为位错攀移机制,而在低温高应力下,蠕变过程由位错切割机制控制。 NiAl-31Cr-3Mo共晶合金中添加5%Ti代替部分Cr将导致合金中NiAl/Cr(Mo)共晶组织的粗化,并促进先共晶NiAl相的形成。Ti主要分布在NiAl相中起固溶强化作用。10%Ti的加入促进Ni_2AlTi相的生成,并导致NiAl/Cr(Mo)共晶组织的退化。 添加适量Ti可显著提高NiAl-Cr(Mo)共晶合金的强度。普通铸造Ni-32Al-28Cr-3Mo-4Ti合金的压缩屈服强度超过稀土Dy合金化的NiAl-Cr(Mo)合金,与NiAl-28Cr-5Mo-1Hf合金相当。合金1000℃蠕变断裂寿命和最小蠕变速率分别与施加载荷之间呈线性的双对数关系,蠕变断裂寿命与最小蠕变速率之间满足Monkman-Grant关系修正式。室温断裂方式为共晶相的解理断裂以及NiAl与Cr(Mo)相界面的剥离,高温蠕变断裂是由共晶胞界处微空洞形成和聚集导致的。 电磁离心铸造(EMCC)NiAl-28Cr-5.5Mo-0.5Hf-0.03P共晶合金的显微组织细小,由激冷区、共晶区和亚共晶区组成。激冷区以初生β-NiAl相为主,共晶区由β-NiAl和α-Cr(Mo)相构成,亚共晶区由初生β-NiAl和β-NiAl/α-Cr(Mo)共晶组成。EMCC NiAl共晶合金1000℃压缩行为遵从幂指数规律。高温热处理有利于提高EMCC NiAl共晶合金的高温强度。室温断裂方式以基体NiAl的解理断裂和NiAl/Cr(Mo)的相界面剥离为主。


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