K465镍基高温合金的研究

论文摘要

镍基高温合金作为在各种航空、航天发动机和燃气轮机中服役的主要材料,具有重要应用价值。对已经显示出优异综合性能的镍基高温合金的成分、组织与性能以及制造过程进行深入研究,显得越来越迫切。铸造K465合金具有较高的抗蠕变、疲劳的能力和较高的承温能力,在国防、航天、航空领域具有广泛的应用前景。开展K465合金的研究具有重要的理论和实际意义。本文对K465镍基铸造高温合金进行了母合金熔炼、铸造、熔体过热处理及微合金化等方面的研究,结合X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、能谱分析仪（EDS）和图像分析仪等测试与分析手段,探讨了熔体过热处理对K465合金的合金元素偏析规律、合金的组织及性能的影响；建立了镍基合金中N溶解度的热力学模型,分析了熔体过热处理镍基高温合金中氮的行为；研究了Mg、Ce微合金化对合金组织、性能的影响。主要研究结果如下：1.确定了K465母合金合适的熔炼工艺条件,采用本论文确定的工艺条件,获得了化学成分合格、力学性能稳定的K465母合金；2.研究了浇注温度和模壳温度对合金组织和力学性能的影响。试验发现,随浇注温度和模壳温度的降低,合金的宏观晶粒尺寸减小,枝晶细化,二次枝晶间距减小；浇注温度和模壳温度升高,碳化物逐渐向块状和汉字草书体状转变,分布的均匀性变差；γ′相尺寸随浇注温度的升高有增大的趋势；力学性能测试表明,在适当的浇注温度和模壳温度条件下,合金可以获得较好的综合力学性能；3.对合金的熔体过热处理研究表明：1)低于1750℃进行熔体过热处理对合金的化学成分影响不大,高于1750℃进行熔体过热处理后,合金中C、Cr、Al和Ti的烧损明显加重；2)熔体过热处理对合金中氮的含量有一定影响,随着熔体过热处理温度的升高,合金中氮含量呈下降的趋势,熔体过热处理温度高于1790℃后,随着熔体过热处理温度升高合金中氮含量增大；建立了镍基合金液中氮溶解度的热力学近似计算模型,本研究中,在熔体过热处理较低温度段,氮含量随温度的变化规律与模型的理论预测值吻合较好。在较高温度范围内,即当过热处理温度超过1790℃以后,合金中的氮含量随温度的升高而增加,是与熔体过热处理引起合金熔体结构的变化有关；3)熔体过热处理对Cr、Co、Al和Ni的偏析比影响不大；随熔体过热处理温度的不断提高,Ti和Nb元素的偏析比有逐渐减小的趋势,W和Mo的偏析比先增大后减小；熔体过热处理有降低合金元素偏析的作用；4)未经熔体过热处理时,合金晶粒为普通等轴晶,碳化物为大块状分布在枝晶间；随着熔体过热处理温度的不断提高,合金的晶粒尺寸持续变大,碳化物由块状的形式向汉字草书体群团形式转化；当过热温度超过1760℃时,晶粒又不断变小,合金中碳化物呈小块状和颗粒状均匀分布。温度低于1750℃的熔体过热处理对MC碳化物和（γ+γ′）共晶体积分数影响较小；熔体过热处理温度超过1750℃时,由于元素烧损,MC碳化物和（γ+γ′）共晶的体积分数明显减小；熔体过热处理温度提高,MC碳化物中W含量有不断升高的趋势；5)明确了熔体过热处理温度对合金的力学性能的影响熔体过热处理温度对室温屈服强度和抗拉强度影响不显著；断裂伸长率和面缩率均随熔体过热处理温度的升高有一定程度的提高；当熔体过热处理温度超过1790℃时,断裂伸长率和面缩率迅速降低；合金在1750℃～1760℃时,强度和塑性达到较好的匹配；熔体过热处理温度低于1750℃时,随过热处理温度的升高,合金975℃/230MPa条件下的持久寿命和持久塑性大幅提高；在1650℃～1760℃温度段内过热处理,合金的持久寿命和持久塑性达到了较好的匹配；当超过1760℃,过热温度继续升高时,合金持久寿命和塑性迅速降低。4.对合金Mg、Ce微合金化的研究表明,随着Mg含量的增加,合金中MC碳化物转变为细小颗粒状,γ′相颗粒变得细小,立方化效果明显,当Mg含量达到0.03%时,MC碳化物转变为草书体汉字状,γ′相颗粒变得粗大；Mg含量对抗拉强度和屈服强度的影响较小；随着合金中Mg含量的增加,合金持久寿命和塑性有明显提高,合金中Mg的适宜加入量为0.02%；Mg含量进一步增加,合金的持久寿命、塑性均有大幅下降；在本论文试验范围内,Ce含量对合金的显微组织没有明显的影响,合金中MC碳化物呈草书体汉字状,γ′相颗粒变化不明显,并存在有低熔点的富Ce相,在室温拉伸时,合金的室温强度和塑性保持较平稳的趋势；由于合金中低熔点富Ce相的存在和疏松的大量增多,导致975℃/230 MPa条件下持久寿命和塑性始终处于较低的水平。在本论文试验条件下,合金中Ce的加入不能有效提高合金强度。5.对铸件的预研表明,设计采用蜡模分体压制,组合夹具精确定位,蜡模拼装组合成型的工艺方案,试制出了合格的整体精密铸造用蜡模,保证了铸件的表面光洁度和尺寸精度；通过对浇注系统的改进,在外壁和内锥部位有针对性地增设了内浇口,较好地解决了内锥与外环两部位的疏松问题；通过铸造工艺的优化,消除了试制过程中铸件疏松和开裂的问题,得到了合格的铸件,通过了地面长时试车考核。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 高温合金发展历程与发展趋势
• 1.2 高温合金的熔炼方法
• 1.2.1 高温合金的熔炼方法
• 1.2.2 真空感应熔炼方法
• 1.2.2.1 真空冶金
• 1.2.2.2 真空感应熔炼
• 1.3 铸造高温合金研究进展
• 1.3.1 铸造高温合金发展概况
• 1.3.2 铸造高温合金精密铸造技术
• 1.3.3 铸造高温合金组织控制
• 1.3.4 铸造镍基高温合金的热处理
• 1.4 合金熔体过热处理的研究进展
• 1.4.1 熔体过热处理的理论依据
• 1.4.2 熔体过热处理的方法
• 1.4.3 熔体过热处理的作用
• 1.4.3.1 熔体过热处理对Al基合金的影响
• 1.4.3.2 熔体过热处理对Cu基合金的影响
• 1.4.3.3 熔体过热处理对Ni基高温合金的影响
• 1.5 镍基高温合金中合金元素的作用
• 1.5.1 合金中主要元素的作用
• 1.5.2 合金中微量元素的作用
• 1.6 K465合金
• 1.7 本论文工作的意义及研究内容
• 参考文献
• 第2章 K465母合金的制备
• 2.1 引言
• 2.2 实验
• 2.2.1 熔炼设备
• 2.2.2 合金原材料的选取
• 2.2.3 合金熔炼工艺
• 2.2.4 合金元素分析
• 2.2.5 合金性能测试
• 2.3 实验结果
• 2.3.1 化学成分
• 2.3.2 力学性能
• 2.4 小结
• 参考文献
• 第3章 铸造温度对K465合金组织和性能的影响
• 3.1 引言
• 3.2 实验
• 3.2.1 实验材料
• 3.2.2 实验内容
• 3.2.3 材料表征
• 3.2.3.1 组织分析
• 3.2.3.2 力学性能检测
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 铸造工艺参数对K465合金组织的影响
• 3.3.1.1 浇注温度和模壳温度对宏观晶粒度的影响
• 3.3.1.2 浇注温度和模壳温度对枝晶组织的影响
• 3.3.1.3 铸造工艺参数对MC碳化物的影响
• 3.3.1.4 铸造工艺参数对γ′相的影响
• 3.3.2 铸造工艺参数对K465合金力学性能的影响
• 3.3.2.1 浇注温度和模壳温度对合金室温拉伸性能的影响
• 3.3.2.2 浇注温度和模壳温度对持久性能的影响
• 3.3.3 综合分析讨论
• 3.4 小结
• 参考文献
• 第4章 熔体过热处理对K465合金组织和性能的影响
• 4.1 引言
• 4.2 实验
• 4.2.1 实验材料
• 4.2.2 实验内容
• 4.2.3 材料表征
• 4.2.3.1 合金元素分析
• 4.2.3.2 组织分析
• 4.2.3.3 力学性能检测
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 熔体过热处理对合金化学成分的影响
• 4.3.2 熔体过热处理对合金[N]含量影响的理论分析
• 4.3.3 坩埚耐火材料的分析
• 4.3.4 熔体过热处理对K465合金元素偏析的影响
• 4.3.5 熔体过热处理对K465合金组织的影响
• 4.3.5.1 熔体过热处理对晶粒的影响
• 4.3.5.2 熔体过热处理对合金中MC碳化物的影响
• 4.3.5.3 熔体过热处理对合金γ′相的影响
• 4.3.5.4 熔体过热处理对合金共晶组织的影响
• 4.3.5.5 熔体过热处理对合金枝晶组织的影响
• 4.3.6 热处理过程中K465合金的组织转变
• 4.3.7 熔体过热处理对合金力学性能的影响
• 4.3.7.1 熔体过热处理对合金拉伸性能的影响
• 4.3.7.2 熔体过热处理对合金持久性能的影响
• 4.3.7.3 断口形貌分析
• 4.4 小结
• 参考文献
• 第5章 微合金化对K465合金组织和性能的影响
• 5.1 引言
• 5.2 实验
• 5.2.1 微合金元素的加入实验
• 5.2.2 合金元素的分析
• 5.2.3 合金组织表征
• 5.2.4 合金力学性能测试
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 微量元素Mg对K465合金组织和力学性能的影响
• 5.3.1.1 微量元素Mg对K465合金显微组织的影响
• 5.3.1.2 微量元素Mg对K465合金拉伸性能的影响
• 5.3.1.3 微量元素Mg对K465合金持久性能的影响
• 5.3.1.4 断口形貌分析
• 5.3.2 微量元素Ce对K465合金组织和力学性能的影响
• 5.3.2.1 微量元素Ce对K465合金显微组织的影响
• 5.3.2.2 微量元素Ce对K465合金拉伸性能的影响
• 5.3.2.3 微量元素Ce对K465合金持久性能的影响
• 5.3.2.4 断口形貌分析
• 5.4 小结
• 参考文献
• 第6章 K465合金涡轮导向器铸件的研制
• 6.1 引言
• 6.2 实验
• 6.2.1 蜡模制备
• 6.2.2 型壳制备
• 6.2.3 合金材料
• 6.2.4 材料表征
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 整体铸造用蜡模部件制备工艺的选择
• 6.3.2 整体铸造用型壳制备工艺的选择
• 6.3.2.1 涂料的浸涂和撒砂
• 6.3.2.2 型壳的干燥
• 6.3.2.3 型壳的脱蜡和焙烧
• 6.3.3 浇注系统
• 6.3.4 铸造过程
• 6.4 小结
• 参考文献
• 第7章 结论
• 致谢
• 攻读博士学位期间撰写和发表的论文
• 作者简介