镍基高温合金制备中选晶行为的研究.doc

范文最新推荐------------------------------------------------------1 / 8镍基高温合金制备中选晶行为的研究摘要镍基高温合金具有优良的高温综合性能，其中又以镍基单晶高温合金最为突出，是目前制造先进航空发动机涡轮叶片的主要材料本实验目的就是找到镍基单晶高温合金的制备过程中不同的工艺方法对选晶行为的影响，了解不同条件下晶粒的生长规律以及镍基高温合金的组织转变过程，通过金相组织观察研究缩颈选晶的规律与特点，并为以后长成良好的单晶或籽晶提供经验依据关键词镍基高温合金 缩颈选晶 区域悬浮熔炼 金相组织 9040毕业设计说明书（论文）英文摘要Title Grain selection behavior in the preparation of nickel-based superalloy  Abstract: Ni-based superalloy has excellent high-temperature comprehensive performance. Among the superalloys, Ni-based single crystal superalloy is the most prominent due to the superior performance, therefore becomes the main material for the advanced aero engine turbine blades. The objective of this study is to find the effect of different methods of preparation of Ni-based single crystal superalloy on the grain selection behavior and understand the mechanism of crystal growth, as well as the organizational transformation process of these methods. Through observing the microstructure, we find the law and characteristic of necking grain selection behavior, and empirical evidence can be provided for the growth of single-crystal seeds.Keywords: Nickel based superalloy; Grain selection behavior; Zone melting; Metallographic structure目录---------------------------------------------------------------范文最新推荐------------------------------------------------------3 / 81 绪论 11.1 镍基高温合金的发展状况 11.2 镍基单晶合金发展概述 31.3 镍基单晶合金的组织与强化机制 71.3.1 镍基单晶合金的相组成 71.3.2 镍基单晶合金的强化机制 9 在航空工业中，发动机工作效率的不断改进与提高发动机的温度热容同步进行，航空发动机的发展历史，可以简单的描述为不断提高航空发动机推力和涡轮前进口温度的历史[3]。

发动机每升高 5℃ ，可增加发动机功率 1.3%和热效率 0.4%近五十年代典型的发动机为 JT3D 推力为 7450kg，涡轮前进口温度为 889℃ ，70 年代 F100 发动机的推力为 11340kg，涡轮前进口温度为 1310℃ ，而 80 年代的一些有特色发动机涡轮前进口温度已高达 1430℃[4]发动机工作效率的不断提高，伴随着发动机温度容量的不断提高而提高，因而要求发动机叶片材料有更高的承温能力[5]镍基高温合金经历了近 60 年的发展历程，已经研制出一系列具有优良性能的高温合金，例如：耐腐蚀、抗高温蠕变、高屈服强度和断裂韧性等高温合金，几乎所有合金都是在 Ni-Al-Cr-Ti 系沉淀强化型合金的基础上发展进化而来的[6]在普通多晶铸造合金中，晶界处杂质较多，原子排列不规则，成为合金高温服役过程中的薄弱环节，而与应力轴垂直的晶界是合金高温变形的主要裂纹源[7,8]因此设法消除与应力轴垂直的横向晶界，可较大幅度提高合金的高温力学性能基于这种想法发展了定向凝固技术定向凝固技术的出现，不仅提高了高温合金的蠕变性能，而且也极大的提高了热疲劳性能[9]但是采用定向凝固技术制备的柱状晶结构合金，在高温服役的过程中，裂纹优先出现在纵向晶界处仍是限制合金持久寿命的薄弱环节。

人们在研究定向凝固技术的同时，也在研究另一种新型的技术，即：单晶制备技术单晶的特点是无晶界，不存在高温晶界弱化、纵向晶界---------------------------------------------------------------范文最新推荐------------------------------------------------------5 / 8裂纹等问题[10,11]而且单晶的合金化特点是不需要加入晶界强化元素，合金成分简单，还可较大幅度地提高合金的初熔温度，可采用更高的固溶处理温度，有效的调整γ′强化相的形貌、体积分数和尺寸分布，与铸造和定向凝固合金比较，单晶合金具有更高的抗热疲劳、机械疲劳、抗氧化及抗蠕变性能，显著提高了高温合金的工作温度，提高了工件的承温能力，可以使工件在高的温度下正常工作因而，随着航空航天工业的迅猛发展，单晶合金必将取代现有合金，成为航空发动机叶片的最佳使用材料国内外各时期高温合金的承温能力[12]如图 1.1 所示 Cr, Co 元素作为固溶强化元素优先溶解于面心立方结构的镍基奥氏体基体γ相中。

Cr 是抗环境腐蚀元素，Cr 元素可以形成保护性 Cr2O3 氧化层，因该保护层具有低的阳离子空位，可抑制金属元素向外扩散，O、N、S 以及其它有害元素向内扩散，所以其在抗热腐蚀和抗氧化方面发挥了很大作用这些合金中有较高体积分数的γ相，其以类似立方形沉淀的样子分散在γ相基体中（图 1.2） Co 进入基体后产生固溶强化效果，尤其是降低基体的层错能，可极大地提高合金的持久强度和蠕变抗力[15]此外，Co 还能提高 Mo、W 和 Cr 等元素在基体中的溶解度，提高固溶强化作用同时增加 C 在基体中的溶解度，减少碳化物的析出又能降低 Al和 Ti 在基体中的溶解度，进而提高 γ强化相的数量另外，Co 能改善镍基合金的热加工性能和塑性，提高合金的组织稳定性V、Ti 、Nb 和 Ta 等，通过置换 Ni3Al 中的 Al 元素参与组成 (Ni3(Al,X))沉淀相使γ相得到强化，起第二相沉淀强化作用[16, 17]gamma;相是镍基单晶高温合金中的主要强化相Al 元素也以形成表面 Al2O3 层的方式防止合金进一步氧化为了保证足够高的γ 强化相含量，一般合金内的 Al 元素含量在 5wt.%以上。

Ti 可减少 Al 的溶解度进而促进γ 相的析出，同时 Ti 本身进入γ 相，具有强化 γ的作用Ta 主要溶入 γ相，少量溶入γ基体相中，Ta 能降低其它合金元素在γ固溶体中的溶解度，促进γ相析---------------------------------------------------------------范文最新推荐------------------------------------------------------7 / 8出，延缓γ 相的聚集长大过程，因而可提高合金强度同时 Ta 比 Ti 具有更高的稳定γ相作用，从而提高合金的持久寿命另外，Ta 能使基体内的 Cr 稳定，间接地起到抗热腐蚀的作用，同时还能提高合金的铸造性能和组织稳定性表 1.1 第一代镍基单晶高温合金的化学成分表(wt.%)在第一代高温合金中 Cr 的含量一般为 8wt.%，在第二代高温合金中 Cr 的含量已经减少到 5-7wt.%研究表明此种含量的 Cr 以足够保证合金的耐腐蚀性能，同时又能保证晶格中可以固溶高含量的 Re、W 和Mo，同样有利于是优化蠕变抗性。

gamma; 相形成元素 Al、Ti、Ta、Nb 同样对相稳定性也起到很重要的作用，因为他们可以决定γ相总量，单晶高温合金中γ相含量接近 70 vol.%由于γ 相中元素高度集中，并且这些元素优先分布在 TCP 相中，因此若体中存在过多量的γ 相，则会促使 TCP 相沉淀析出3)第三代合金合金以 René N6 和 CMSX-10 为代表[24, 25]，合金的成分特征为 Re 含量增加到 6wt.%，同时难熔元素(Ta 、W 和 Mo 等)总量高达 20wt.%以上，相比第二代单晶合金，其承温能力又提升了近 30oC，同时使合金具有更高的高温蠕变强度研究者们为了进一步提高单晶高温合金叶片的耐高温性能从而将 Re含量提高到了 6wt.%这一改善成功的提高了合金的蠕变强度，而且没有增加合金密度也没用大幅度增加TCP 相析出趋势更进一步的由 GE 主导的研发工作在第三代单晶超合金中加入 Ru 元素其中以法国航空航天研究院研制的 MC-NG 和日本研制的 TMS75和 TMS80 为代表第三代合金中的化学成分见表1.3 镍基高温合金制备中选晶行为的研究(4):。