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K465鎳基高溫合金的研究

鎳基高溫合金作為在各種航空、航天發動機和燃氣輪機中服役的主要材料,具有重要應用價值。對已經顯示出優異綜合性能的鎳基高溫合金的成分、組織與性能以及制造過程進行深入研究,顯得越來越迫切。鑄造K465合金具有較高的抗蠕變、疲勞的能力和較高的承溫能力,在國防、航天、航空領域具有廣泛的應用前景。開展K465合金的研究具有重要的理論和實際意義。本文對K465鎳基鑄造高溫合金進行了母合金熔煉、鑄造、熔體過熱處理及微合金化等方面的研究,結合X射線衍射儀(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)、能譜分析儀(EDS)和圖像分析儀等測試與分析手段,探討了熔體過熱處理對K465合金的合金元素偏析規律、合金的組織及性能的影響；建立了鎳基合金中N溶解度的熱力學模型,分析了熔體過熱處理鎳基高溫合金中氮的行為；研究了Mg、Ce微合金化對合金組織、性能的影響。主要研究結果如下： 1.確定了K465母合金合適的熔煉工藝條件,采用本論文確定的工藝條件,獲得了化學成分合格、力學性能穩定的K465母合金； 2.研究了澆注溫度和模殼溫度對合金組織和力學性能的影響。試驗發現,隨澆注溫度和模殼溫度的降低,合金的宏觀晶粒尺寸減小,枝晶細化,二次枝晶間距減??；澆注溫度和模殼溫度升高,碳化物逐漸向塊狀和漢字草書體狀轉變,分布的均勻性變差；γ′相尺寸隨澆注溫度的升高有增大的趨勢；力學性能測試表明,在適當的澆注溫度和模殼溫度條件下,合金可以獲得較好的綜合力學性能； 3.對合金的熔體過熱處理研究表明： 1)低于1750℃進行熔體過熱處理對合金的化學成分影響不大,高于1750℃進行熔體過熱處理后,合金中C、Cr、Al和Ti的燒損明顯加重； 2)熔體過熱處理對合金中氮的含量有一定影響,隨著熔體過熱處理溫度的升高,合金中氮含量呈下降的趨勢,熔體過熱處理溫度高于1790℃后,隨著熔體過熱處理溫度升高合金中氮含量增大；建立了鎳基合金液中氮溶解度的熱力學近似計算模型,本研究中,在熔體過熱處理較低溫度段,氮含量隨溫度的變化規律與模型的理論預測值吻合較好。在較高溫度范圍內,即當過熱處理溫度超過1790℃以后,合金中的氮含量隨溫度的升高而增加,是與熔體過熱處理引起合金熔體結構的變化有關； 3)熔體過熱處理對Cr、Co、Al和Ni的偏析比影響不大；隨熔體過熱處理溫度的不斷提高,Ti和Nb元素的偏析比有逐漸減小的趨勢,W和Mo的偏析比先增大后減??；熔體過熱處理有降低合金元素偏析的作用； 4)未經熔體過熱處理時,合金晶粒為普通等軸晶,碳化物為大塊狀分布在枝晶間；隨著熔體過熱處理溫度的不斷提高,合金的晶粒尺寸持續變大,碳化物由塊狀的形式向漢字草書體群團形式轉化；當過熱溫度超過1760℃時,晶粒又不斷變小,合金中碳化物呈小塊狀和顆粒狀均勻分布。溫度低于1750℃的熔體過熱處理對MC碳化物和(γ+γ′)共晶體積分數影響較??；熔體過熱處理溫度超過1750℃時,由于元素燒損,MC碳化物和(γ+γ′)共晶的體積分數明顯減??；熔體過熱處理溫度提高,MC碳化物中W含量有不斷升高的趨勢； 5)明確了熔體過熱處理溫度對合金的力學性能的影響熔體過熱處理溫度對室溫屈服強度和抗拉強度影響不顯著；斷裂伸長率和面縮率均隨熔體過熱處理溫度的升高有一定程度的提高；當熔體過熱處理溫度超過1790℃時,斷裂伸長率和面縮率迅速降低；合金在1750℃～1760℃時,強度和塑性達到較好的匹配；熔體過熱處理溫度低于1750℃時,隨過熱處理溫度的升高,合金975℃/230MPa條件下的持久壽命和持久塑性大幅提高；在1650℃～1760℃溫度段內過熱處理,合金的持久壽命和持久塑性達到了較好的匹配；當超過1760℃,過熱溫度繼續升高時,合金持久壽命和塑性迅速降低。 4.對合金Mg、Ce微合金化的研究表明,隨著Mg含量的增加,合金中MC碳化物轉變為細小顆粒狀,γ′相顆粒變得細小,立方化效果明顯,當Mg含量達到0.03%時,MC碳化物轉變為草書體漢字狀,γ′相顆粒變得粗大；Mg含量對抗拉強度和屈服強度的影響較??；隨著合金中Mg含量的增加,合金持久壽命和塑性有明顯提高,合金中Mg的適宜加入量為0.02%；Mg含量進一步增加,合金的持久壽命、塑性均有大幅下降；在本論文試驗范圍內,Ce含量對合金的顯微組織沒有明顯的影響,合金中MC碳化物呈草書體漢字狀,γ′相顆粒變化不明顯,并存在有低熔點的富Ce相,在室溫拉伸時,合金的室溫強度和塑性保持較平穩的趨勢；由于合金中低熔點富Ce相的存在和疏松的大量增多,導致975℃/230 MPa條件下持久壽命和塑性始終處于較低的水平。在本論文試驗條件下,合金中Ce的加入不能有效提高合金強度。 5.對鑄件的預研表明,設計采用蠟模分體壓制,組合夾具精確定位,蠟模拼裝組合成型的工藝方案,試制出了合格的整體精密鑄造用蠟模,保證了鑄件的表面光潔度和尺寸精度；通過對澆注系統的改進,在外壁和內錐部位有針對性地增設了內澆口,較好地解決了內錐與外環兩部位的疏松問題；通過鑄造工藝的優化,消除了試制過程中鑄件疏松和開裂的問題,得到了合格的鑄件,通過了地面長時試車考核。

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