K4169高温合金组织细化及性能优化研究

【摘要】： 高温合金的组织细化一直是提高高温合金性能的重要手段之一，而对于复杂的实用合金的细化，无论在理论上或实践上都有重要意义。本文利用化学细化的方法，考察了在生产上被广泛应用的高温合金K4169的细化过程。研究了细化组织对室温性能及高温性能的影响，并探讨了其细化机制及裂纹形核等方面的问题。 实验中通过加入微量金属间化合物，首次在生产条件下获得了实用合金K4169的细晶组织，细化水平达到了国外公司用热控法取得的同等水平：在对熔体进行均匀化处理的情况下，晶粒度可达到ASTM 1.7，在没有均匀化处理的情况下，晶粒度可达到ASTM 3.2～4.5，并获得了无枝晶的粒状晶组织。所获细晶组织的枝晶偏析小。Fe、Cr和Nb元素的偏析比趋于1，表明这些元素的分布均匀。 性能测试表明细晶组织具有优异的室温性能。抗拉强度提高了24.6％；屈服强度提高了9.7％；延伸率和断面收缩率也分别提高了31％和26.9％。其室温下断口组织由粗晶的混合型穿晶断口改善为韧性穿晶断口。 所得细晶组织具有良好的高温拉伸强度和持久强度。在700℃时，细晶组织抗拉强度仍高于粗晶14.9％；屈服强度提高了21.3％。其高温持久性能仍比一般组织高出1／3；塑性指标有所下降。高温下细晶组织仍为韧性穿晶断口；粗晶为解理断口。 本文亦首次较为详尽的研究了室温及700℃高温下K4169合金的疲劳性能。发现细晶的室温疲劳寿命平均为粗晶组织的2倍。在高温长寿命段，细晶的疲劳性能仍优于粗晶组织，但在高应变低寿命段，细晶的疲劳性能不如粗晶。 文中考察了工艺因素对细化效果的影响。实验发现无论是否加细化剂，较低的浇注温度都对细化组织起着重要作用；本实验中复合细化剂的效果优于单一细化剂；细化剂颗粒的粒度太大或太小都不利于细化。 本文结合实验结果综合分析了化学添加剂的作用机制。显示用晶格匹配理论可解释单一细化剂的细化作用；复合细化剂的细化机制，在一定程度上可用特征过冷度来解释，但亦应考虑其它因素的影响。实验结果也指出，所加第二 西北工业大学博士学位论文 杨爱民 相并没有成为特别的裂纹源，因而本实验中所选的金属化合物作为高温合金 K4 69的细化剂是安全可靠的。 由于外加粒子表面液相成分的变化，会直接影响异质形核，本文首次将溶 质组元在粒于表面的偏聚能引入异质形核过程，分析指出，有时溶质原子的偏 聚能在异质形核中起着决定性的作用。本文提出一个综合形核参量叭 ＝erflnd－ dc＊用于描述偏析系数、溶质原子的偏聚能对异质形核的作用。 本文也首次研究了化学反应对异质形核的影响，结合目前流行的润湿理论， 通过分析反应过程反应自由能及表面能的变化，考察其对异质形核润湿角的影 响，给出了在有化学反应时形核剂的选取原则。 为了准确评估材料的疲劳寿命，本文首次提出裂纹形核韧性的概念，并给 出了相应的数学表达式，并证明材料的形核韧性为其 Griffith断裂韧性 1／方。 利用裂纹形核韧性的概念，对裂纹的形核及扩展全过程给出了明确的界定。此 外，本实验中还首次对疲劳中的轮胎印结构的形成过程进行了实验验证。