Co、Zr、Cu在K4169合金中作用的研究

论文摘要

铸造K4169合金与美国Inconel718合金成分基本相同,是以体心四方γ"相和面心立方γ’相沉淀强化的铁-镍基高温合金,在-253～700℃温度范围内有良好的综合性能,但使用温度超过650℃时,合金中的主要强化相γ"会与基体失去共格,聚集粗化长大继而向稳定的δ相转变,导致合金的强度、塑性等一系列性能迅速下降。高温合金的性能主要取决于它的化学成分和组织,国内外研究工作者尝试通过调整Al、Ti、Nb、Fe、Mo、Cr、Ta、W等主要合金元素含量以期获得更好的组织稳定性和更高的使用温度。但是,K4169合金中除了上述主要合金元素外还含有少量的Co和微量的Zr、Cu等元素,这些元素对合金组织和性能也会造成一定的影响。目前这些元素在K4169合金中的作用还不是很清楚,因此有必要进行深入研究和分析。本文以K4169合金为研究对象,利用手工电弧炉熔炼制备了14种不同Al、Co、Zr、Cu含量的合金,并采用金相显微镜、扫描电镜、透射电镜、电子探针、X射线衍射和力学性能测试等方法,研究了Al、Co、Zr、Cu对铸态、标准热处理态以及长时时效态合金组织和力学性能的影响,着重研究了这些元素对合金晶界和晶内析出相的影响,得到以下主要结论:（1）合金中Co的加入量从0.1wt%增加到0.3wt%时,促使Mo、Ti、Nb等元素向晶界偏析。因此Co强烈促进合金铸态组织中Laves相的析出,缩小合金枝晶间偏析区,降低Nb、Mo、Ti在基体中的溶解度而提高这些元素在Laves相中的浓度;Co的加入提高了Laves相初熔温度,而使合金的熔点稍有降低。（2）同时调整合金中Al和Co的加入量时,由于Al减轻Nb、Mo、Ti的偏析,因此Al和Co的交互作用减少了Laves相的析出且基本不改变Laves相初熔温度,降低了合金的熔点。合金经标准热处理后,Al和Co之间的交互作用减小了Co对合金晶界析出相的不利影响,并且使晶内析出相以纳米多晶的形式析出,晶内析出相呈球形,但没能形成γ′/γ″包覆组织。在长时时效过程中,Al和Co的交互作用增加了γ″相的稳定性,降低了合金晶内析出相的粗化程度。（3）Zr促进碳原子向晶界偏聚,因而促进晶界碳化物析出,同时Zr促进Nb、Mo等原子向MC中偏聚,抑制了晶界Laves相的析出。Zr的加入提高了Laves相初熔温度,降低了合金的熔点。Zr强烈改变γ′和γ″相析出形貌和大小。在长时时效过程中,Zr的加入可以提高γ″相的高温稳定性;当Zr质量分数为0.03wt%时,合金中形成了γ′/γ″包覆组织,没有形成盘片状δ相。（4）Cu促进Nb、Mo等元素的偏析,因此强烈促进Laves相的析出;Cu的加入降低了Laves相初熔温度,同时降低了合金的熔点。Cu的加入改变了γ″相和γ′的析出形貌,随着Cu质量分数的增加,γ″相尺寸呈先增加后减小的趋势;在长时时效过程中Cu有抑制γ″相向δ相转变的作用,即Cu增加了γ″相的稳定性。（5）单独调整Co的加入量对K4169合金室温硬度的影响较小但降低了合金的屈服强度;同时调整合金中Al和Co的加入量时,Al含量的增加提高了合金的硬度和屈服强度,但在长期时效过程中出现了过时效,导致合金硬度降低了;Zr的加入降低了合金的硬度和屈服强度;Cu的加入也降低了合金的硬度和屈服强度。综上所述,对于K4169合金来说,Co的含量要严格控制;Al的加入量可以适当提高,本文中Al含量为1.1wt%时合金的组织和性能较好;Zr对合金晶内析出相的改善是有利的,但综合考虑晶界析出相及合金的性能,Zr的加入量应小于0.03wt%;考虑Cu促进Laves相的析出以及Cu增加γ″相的稳定性,Cu在K4169合金中可以适量存在,但含量应控制在0.1wt%左右为宜。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 高温合金概述
• 1.1.1 高温合金中的相
• 1.1.2 合金元素在镍基合金中的作用
• 1.1.3 高温合金强化机理
• 1.1.4 高温合金的热处理
• 1.2 IN718（K4169）合金研究现状及存在问题
• 1.3 本课题研究目的及意义
• 1.4 主要研究内容
• 第2章 实验方法
• 2.1 母合金制备
• 2.1.1 配料成分
• 2.1.2 实验设备
• 2.1.3 技术路线
• 2.2 实验方案
• 2.2.1 微观组织分析
• 2.2.2 硬度与屈服强度测试
• 第3章 微量 Co 在 K4169 合金中作用的研究
• 3.1 基于相计算法的σ相析出倾向预测
• 3.2 Co 含量对铸态 K4169 合金组织和性能的影响
• 3.2.1 Co 含量对铸态 K4169 合金相组成的影响
• 3.2.2 Co 含量对铸态 K4169 合金显微组织的影响
• 3.2.3 Co 含量对铸态 K4169 合金组织中元素偏析的影响
• 3.2.4 Co 含量对 Laves 相初熔温度和合金熔点的影响
• 3.2.5 Co 含量对铸态 K4169 合金硬度的影响
• 3.3 Co 含量对标准热处理态 K4169 合金组织和性能的影响
• 3.3.1 Co 含量对标准热处理态 K4169 合金相组成的影响
• 3.3.2 Co 含量对标准热处理态 K4169 合金组织的影响
• 3.3.3 Co 含量对标准热处理态 K4169 合金力学性能的影响
• 3.4 本章小结
• 第4章 Co 和 Al 的交互作用对 K4169 合金的影响
• 4.1 Al、Co 元素对铸态 K4169 合金组织与性能的影响
• 4.1.1 铸态合金相组成
• 4.1.2 铸态合金显微组织
• 4.1.3 元素枝晶偏析
• 4.1.4 Al、Co 含量对 Laves 相初熔温度和合金熔点的影响
• 4.1.5 硬度
• 4.2 Al 和 Co 对标准热处理态 K4169 合金组织与性能的影响
• 4.2.1 标准热处理态合金相组成
• 4.2.2 标准热处理态合金显微组织
• 4.2.3 硬度和屈服强度
• 4.3 Al、Co 含量对长时时效态 K4169 合金组织与性能的影响
• 4.3.1 680℃/300h 长期实效态 K4169 合金析出相
• 4.3.2 680℃/500h 长期实效态 K4169 合金析出相
• 4.3.3 长期时效过程中析出相的退化
• 4.3.4 硬度
• 4.4 本章小结
• 第5章 Zr 元素对 K4169 合金组织与性能的影响
• 5.1 Zr 含量对 K4169 合金铸态组织与性能的影响
• 5.1.1 铸态合金相组成
• 5.1.2 铸态合金显微组织
• 5.1.3 元素枝晶偏析
• 5.1.4 Zr 含量对 Laves 相初熔温度和合金熔点的影响
• 5.1.5 硬度和屈服强度
• 5.2 Zr 含量对 K4169 合金标准热处理态组织与性能的影响
• 5.2.1 标准热处理态合金相组成
• 5.2.2 标准热处理态合金析出相
• 5.2.3 硬度和屈服强度
• 5.3 Zr 含量对 K4169 合金长时时效态组织与性能的影响
• 5.3.1 长时时效态合金相组成
• 5.3.2 晶界析出相
• 5.3.3 晶内强化相
• 5.3.4 硬度
• 5.4 本章小结
• 第6章 Cu 在 K4169 合金中作用的研究
• 6.1 Cu 含量对 K4169 合金铸态组织与性能的影响
• 6.1.1 铸态合金相组成
• 6.1.2 铸态合金显微组织
• 6.1.3 元素枝晶偏析
• 6.1.4 Cu 含量对 Laves 相初熔温度和合金熔点的影响
• 6.1.5 硬度和屈服强度
• 6.2 Cu 含量对 K4169 合金标准热处理态组织与性能的影响
• 6.2.1 标准热处理态 K4169 合金相组成
• 6.2.2 标准热处理态 K4169 合金析出相
• 6.2.3 硬度和屈服强度
• 6.3 Cu 含量对 K4169 合金长时时效态组织与性能的影响
• 6.3.1 长时时效态合金相组成
• 6.3.2 晶界析出相
• 6.3.3 晶内强化相
• 6.3.4 硬度
• 6.4 本章小结
• 结论
• 创新与展望
• 创新点
• 不足与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文目录