INCONEL 783合金的组织与应力驰豫性能研究

论文摘要

INCONEL 783合金作为一种航空用低膨胀高温合金,目前已被用于制作超超临界火力发电机组的螺栓,并有可能用于未来更高参数如650oC以上的机组。然而,目前国内外对该合金在汽轮机工况应用的研究极为缺少,不能为该合金安全合理的使用提供必需的数据。本文对进口与国产两种合金进行了研究,一是用JMatPro材料性能模拟软件结合实验分析对该合金热处理制度的合理性进行了评估,二是对高温应力驰豫特性及相关的组织演变行为进行了分析。结果发现:标准热处理工艺的固溶温度对于IN783合金的名义成分是合理的,但对实际Nb、Al含量较高且含C的合金偏低。热力学计算显示783合金对η相析出敏感。为避免η相的析出,使用温度建议不超过650oC等级。此外,合金元素Cr、Fe对稳定γ′有利,降低Co、Nb的含量也可以抑制η相的形成。β时效对汽轮机螺栓应用仍然是必要的,其作用不仅是提高晶界抗氧化性,而且还可起到减缓γ′的析出、抑制η形成的效果。进口合金与国产合金相比有更多的γ′析出和更大的错配度。γ′在β时效时就会析出,并产生正的γ/γ′晶格错配。晶格错配随时效进行而增大,但在γ′二次时效时出现额外的负错配。783合金在575oC~700oC下的应力驰豫曲线表现为快速下降和趋于平稳的两个阶段。短时间驰豫数据表明该合金可以用在600oC及其以下,625oC有较大风险,仍需要更长时间的试验进行评估。时效工艺的改变会影响驰豫性能,目前所进行的反转时效及附加高温长时时效均导致合金抗驰豫性能弱化。固溶温度的改变及是否固溶对600oC的驰豫行为影响不大,但对更高温度如650oC有明显影响,固溶温度高的抗驰豫性能好;在1000h内国产合金有更好的表现,其在600oC的抗驰豫性能优于进口材料;650oC的性能略低于1160oC固溶进口材料,而高于采用标准工艺固溶的材料。国产和进口合金在驰豫初始阶段均表现出极高的应力指数,随着时间的延长和温度上升而明显下降;在所测温度范围内激活体积在50~80 b3之间,随温度上升先增大后减小,大体上随时间延长而减小;时效制度不同会对激活体积造成明显影响,但是否二次固溶及固溶温度的选择对激活体积的影响甚小。在热处理、长时时效以及应力驰豫条件下β相内都有Heusler相析出,且其析出程度随温度和时间增加,但其对驰豫性能不产生影响。783合金的应力驰豫是热激活辅助过程,和γ′粒子的粗化以及位错的回复有关,受交滑移和攀移共同控制,初期交滑移占主导地位,随时间延长,攀移占优。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 超超临界汽轮机简述
• 1.2.1 超超临界参数的说明
• 1.2.2 超超临界汽轮机的发展概况
• 1.2.3 超超临界汽轮机主要部件金属材料的选择
• 1.3 低膨胀高温合金的发展
• 1.4 汽轮机高温螺栓材料的选择
• 1.4.1 刚性的影响
• 1.4.2 热膨胀系数的影响
• 1.5 高温螺栓的失效类型
• 1.6 汽轮机高温螺栓材料的主要合金相
• 1.7 本文研究目的及内容
• 参考文献
• 第二章 热处理工艺的评估及成分优化
• 2.1 引言
• 2.2 材料制备、表征及试验方法
• 2.2.1 材料制备
• 2.2.2 实验及分析方法
• 2.3 热处理过程中的组织演变
• 2.3.1 析出相
• 2.3.2 时效过程中的晶格错配
• 2.3.3 析出动力学
• 2.4 合金成分对组织与性能的影响
• 2.4.1 元素分配
• 2.4.2 实际成分与性能数据的统计分析
• 2.5 小结
• 参考文献
• 第三章 高温应力驰豫行为的评估
• 3.1 引言
• 3.2 试验方法与原理
• 3.2.1 材料及试样制备
• 3.2.2 应力驰豫试验
• 3.2.3 应力指数n 的测量
• 3.2.4 塑性变形的激活体积V 的测量
• 3.3 结果分析及讨论
• 3.3.1 加载曲线与弹性模量
• 3.3.2 应力驰豫行为
• 3.3.3 应力指数
• 3.3.5 临界应力
• 3.3.6 驰豫微观机制的热激活分析
• 3.3.7 外推应力
• 3.4 小结
• 参考文献
• 第四章 驰豫过程中的组织演变
• 4.1 引言
• 4.2 实验及分析方法
• 4.3 驰豫前后的组织分析
• 4.3.1 原始组织
• 4.3.2 时效组织
• 4.3.3 驰豫后组织
• 4.3.4 时效前后的晶格错配
• 4.4 小结
• 参考文献
• 第五章 结论
• 攻读学位期间发表的论文
• 致谢