磁场对高温合金组织与性能的影响.doc

上海大学20132014学年秋季学期研究生课程考试小论文课程名称： 冶金炉气处理与利用 课程编号： 10SAU9017论文题目: 磁场对镍基单晶高温合金组织性能的影响 研究生姓名: 刘 彬 学 号: 13721649 论文评语:成 绩: 任课教师: 评阅日期: 磁场对镍基单晶高温合金组织性能的影响刘 彬 13721649(上海大学材料科学与工程学院，上海)摘 要：本文介绍了高温合金的应用与发展，特别是镍基单晶高温合金的概述，探究了磁场对镍基单晶高温合金组织与性能的影响，通过有无磁场、磁场强弱的比较得出结论。并以磁场对高温合金DZ417与DZ417G组织与显微硬度的影响为例详细介绍了磁场对镍基单晶高温合金的影响与目前研究高温合金的主要方法，得出结论，予以展望。关键词：磁场，高温合金，组织，性能。Effect of Magnetic-Field on the structure and properties of DZ417G SuperalloyLiubin 13721649(Shanghai University School of Materials Science and Engineering, Shanghai )Abstract: This article describes the application and development of high-temperature alloys , particularly nickel base single crystal superalloy overview explores the magnetic field on the nickel-base single crystal superalloy organization and performance, through the presence or absence of a magnetic field , the magnetic field strength in comparison to conclude . And magnetic field on superalloy DZ417 and DZ417G organizations and microhardness example details of the magnetic field on the nickel-base single crystal superalloy impact and is currently the main method of high-temperature alloys , draw conclusions , to be discussed.Key Words: Magnetic field , Superalloy, structure, Properties1. 引言从80年代初第一代单晶高温合金研制成功以来,单晶合金的发展甚为迅速,第二代、第三代单晶合金相继出现与应用,为航空发动机与地面燃气轮机的性能大幅度提高作出了重大贡献。单晶合金及其工艺的发展具有一系列重要特点。其应用范围日益扩大。预计今后相当长一段时期,单晶高温合金仍将是先进燃气涡轮发动机最主要的叶片材料。我国在单晶合金及工艺研究方面已取得显著成绩,但是仍落后于当前国际先进水平1。镍基单晶高温合金具有优良的高温性能,是目前制造先进航空发动机与燃气轮机叶片的主要材料。为了满足高性能航空发动机的设计需求,多年来,各国十分重视镍基单晶高温合金的研制与开发2，本文主要研究了磁场对镍基单晶高温合金组织与性能的影响。2高温合金概述2.1高温合金定义高温合金是一种能够在600以上及一定应力条件下长期工作的金属材料，具有优异的高温强度，良好的抗氧化与抗热腐蚀性能，良好的疲劳性能、断裂韧性等综合性能，已成为军民用燃气涡轮发动机热端部件不可替代的关键材料。2.2高温合金分类按基体元素可以分为铁基或铁镍基高温合金、镍基高温合金与钴基高温合金，按合金的强化类型可以分为固溶强化高温合金与沉淀强化高温合金，按合金飞成型工艺可以分为变形高温合金、铸造高温合金与粉末高温合金，按合金的使用特性可以分为抗热腐蚀高温合金、低膨胀高温合金、高屈服强度高温合金与抗松弛高温合金，按合金用途可以分为涡轮叶片用高温合金，涡轮导向叶片用高温合金与燃烧室用高温合金3。2.3高温合金强化机制 （1）固溶强化 加入与基体金属原子尺寸不同的元素(铬、钨、钼等)引起基体金属点阵的畸变，加入能降低合金基体堆垛层错能的元素（如钴）与加入能减缓基体元素扩散速率的元素（钨、钼等），以强化基体。 （2）沉淀强化 通过时效处理，从过饱与固溶体中析出第二相（、碳化物等），以强化合金。相与基体相同，均为面心立方结构，点阵常数与基体相近，并与晶体共格，因此相在基体中能呈细小颗粒状均匀析出，阻碍位错运动，而产生显著的强化作用。相是A3B型金属间化合物，A代表镍、钴，B代表铝、钛、铌、钽、钒、钨，而铬、钼、铁既可为A又可为B。镍基合金中典型的相为Ni3(Al,Ti)。相的强化效应可通过以下途径得到加强：增加相的数量；使相与基体有适宜的错配度，以获得共格畸变的强化效应；加入铌、钽等元素增大相的反相畴界能，以提高其抵抗位错切割的能；加入钴、钨、钼等元素提高相的强度。相为体心四方结构，其组成为Ni3Nb。因相与基体的错配度较大,能引起较大程度的共格畸变，使合金获得很高的屈服强度。但超过700，强化效应便明显降低。钴基高温合金一般不含相，而用碳化物强化。 （3）晶界强化 在高温下，合金的晶界是薄弱环节，加入微量的硼、锆与稀土元素可改善晶界强度。这是因为稀土元素能净化晶界，硼、锆原子能填充晶界空位，降低蠕变过程中晶界扩散速率，抑制晶界碳化物的集聚与促进晶界第二相球化。另外，铸造合金中加适量的铪，也能改善晶界的强度与塑性。还可通过热处理在晶界形成链状分布的碳化物或造成弯曲晶界，提高塑性与强度。 （4）氧化物弥散强化通过粉末冶金方法，在合金中加入高温下仍保持稳定的细小氧化物，呈弥散分布状态，从而获得显著的强化效应。通常加入的氧化物有ThO2与Y2O3等。这些氧化物是通过阻碍位错运动与稳定位错亚结构等因素而使合金得到强化。3镍基单晶高温合金概述镍基单晶高温合金指以高合金化的镍基奥氏体为基的单晶合金，或者说以镍为主要元素的合金及的镍铝系金属间化合物高温材料，如DZ417G与DD403等。3.1成分特征在进行单晶合金成分设计时,要兼顾合金性能与工艺性能。由于单晶合金中不存在晶界,并应用在较为苛刻的环境下,所以要注意某些元素的特殊作用，单晶高温合金成分的发展有以下特点4：(1) C、B、Hf从完全去除转为限量使用。这几种元素历来被看作是晶界强化元素,而且使合金初熔温度降低。(2)难熔元素(Ta、Re、W、Mo)的添加总量增加。(3) Cr的含量降低。(4)稀土元素与Ru、Ir的应用。3.2相组成特征镍基单晶高温合金是高度复杂化的合金,通常含有610个合金化元素。在显微组织正常的镍基高温合金中,主要是Cc相与C相,还有几种相是在合金的服役过程中析出的。（1） 基体基体是通常含有较大数量固溶元素(如Co、Cr、Mo与W)的连续分布的面心立方结构的镍基奥氏体相。尽管Ni不具有高的弹性模量与低的扩散率,但相基体非常适用于在最苛刻的温度条件下工作的燃气涡轮发动机。有些合金能在0. 9TM(熔点)温度下使用,且在较低温度下的使用时间可达100000h,其基本原因在于5:Ni的第3电子层基本饱与,在合金化时容量大,相的稳定性很高;当加入Cr后,形成富Cr2O3的具有低的阳离子空位的保护层。从而降低了金属元素向外扩散的速率以及O、N、S与其他腐蚀气体向内的扩散速率;在高温下形成富Al2O3保护层,具有良好的抗氧化性6。 （2）相 相是一种以Ni3Al为基的金属间化合物,与基体一样都是面心立方结构,且两相的点阵常数相差很小,相总是在C基体上共格析出,是镍基高温合金中最重要的强化相。 （3）碳化物相 在以前的镍基单晶高温合金中,一般不含有碳化物相。但随着合金成分的不断发展,少量C的添加使单晶高温合金中出现了碳化物。碳化物的反应会影响合金基体的组织稳定性。镍基单晶高温合金中可能出现的碳化物类型有MC、M6C与M23C67。根据形成条件,又可分成初生碳化物与次生碳化物,即合金凝固时形成的与固态析出的两种。但是,与多晶合金与定向凝固合金相比,镍基单晶合金碳化物的含量是非常低的。 （4）TCP相 某些成分控制不当的合金在热处理或服役时会产生TCP有害相,只有四面体空隙。TCP有害相的特征,是沿着fcc基体的八面体的面以编篮网络的形式构成原子密排面。这种相通常呈薄片状,常常在晶界碳化物上形核。在镍基合金中最常见的是R相与L相。 R相属于四方点阵,单位晶胞中有30个原子,最大配位数为15。R相的成分范围比较宽;在镍基合金里,R相的成分可认为是(Cr, Mo)x(N,i Co)y。这里x与y的变化范围很大,一般为17。R相非常硬,呈片状,是裂纹的重要发源地,也会加速裂纹的扩展,导致低温脆断,就像R化的铁素体不锈钢一样。R相的结构与M23C6碳化物的结构相似,如果除去M23C6碳化物中的碳原子,只需稍微调整金属原子的位置就可变成R相的结构8。 L相属于菱方晶系点阵,结构复杂,单位晶胞有13个原子,典型的分子式为B7A6。B元素指周期表中VIII族元素,A元素为V族、VI族元素。在镍基高温合金中,L相主要由Ni、Co、W与Mo组成。L相与M6C碳化物有相似的密排关系。L相通常也呈片状析出,但对它对性能的有害影响知道得还很少。TCP相的形成主要受电子因素控制,与合金的电子空位数有关。因此,可以通过计算合金中的电子空位数Nv值来预测TCP相的形成。4磁场对镍基单晶高温合金组织与性能的影响 利用磁场使材料在凝固过程中产生定向排列的规则组织，一直是人们感兴趣的研究课题。OREPER 等指出，磁场可以抑制流体中的自然对流，抑制程度与外磁场强度、体系几何形状及大小有关。KANG 等提出9，微弱的对流在磁场中产生的Lorentz力也很小，强磁场压制对流的作用有一定的限度，并提出应该用低对流模型描述强磁场中熔体的对流状况。4.1磁场对镍基单晶高温合金组织形貌的影响研究纵向磁场对高温合金DZ417G 定向凝固显微组织的影响10，如图4.1与图4.2。经分析可知：1) 弱磁场(0.1T)可以使枝晶生长规则化，枝晶细化，枝晶个数增多，且磁场越大，枝晶个数越多。2) 强磁场(2T)会破坏枝晶的规则生长，使界面坍塌。无磁场时，枝晶生长规则有序；施加磁场后，枝晶逐渐受到破坏，向海藻状组织转变。枝晶的破坏与磁场与生长速率有关，磁场越强，枝晶破坏越严重，随着生长速率的增加，枝晶破坏程度减小。图4.1生长速率为 10 m/s(G=150 K/cm)时不同磁场条件下定向凝固DZ417G 纵截面组织Fig3.1 Longitudinal microstructures of directionally solidified DZ417G superalloy at growing rate of 10 m/s and differentmagnetic field intensities (G=150 K/cm): (a) 0 T; (b) 1 mT; (c) 5 mT; (d) 10 mT; (e) 50 mT; (f) 100 mT图4.2生长速率为 10 m/s(G=150 K/cm)时不同磁场条件下定向凝固DZ417G 的横截面组织Fig.4.2Transverse microstructures of directionally solidified DZ417G superalloy at growing rate of 10 m/s and different magnetic field intensities (G=150 K/cm): (a) 0 T; (b) 1 mT; (c) 5 mT; (d) 10 mT; (e) 50 mT; (f) 100 mT4.2磁场对镍基单晶高温合金显微性能的影响研究强磁场下时效热处理对定向凝固高温合金DZ417G 硬度的影响，如图4.311。图4.3有无磁场下定向凝固高温合金DZ417G 经不同时效时间处理后枝晶干与枝晶间显微硬度的变化Fig.4.3 Dependence of microhardness in the dendrite core and interdendrite of directionally solidified DG417G on the time of ageing treatment with and without magnetic field试样显微硬度如图 4.3 所示，无论是否施加磁场，随着时效时间的延长，枝晶干与枝晶间区域的硬度都增加，但枝晶间硬度增加更多，这主要是由于枝晶间析出分布着尺寸较大的强化相与尺寸大小为几十纳米的细小强化相两种粒子，且体积分数较多。施加6T 磁场后，当时效时间至16 h 时，枝晶干与枝晶间区域显微硬度分别为517 HV 与542HV，分别高出约8.2%与8.4%。磁场使得硬度的增加归结为强化相的变化，从上面实验结果可知，磁场的施加使得相的分布更加细小弥散。5 结语与展望 单晶高温合金的发展已有几十年的历史。近几年的发展相当迅速,相继开发了几代单晶合金,并广泛应用于先进的在役与在研的航空发动机,大幅度提高了航空发动机性能。世界各国都在竞相研究新型的符合本国发展需要的航空发动机叶片材料,并且把单晶高温合金材料定为首选12。中国在单晶高温合金的研制与开发上已有一定的基础,并取得了一些成绩,但与国外先进水平相比还有一定的差距,因此要积极吸取国外先进的生产技术与经验,研制出符合中国国情的单晶高温合金叶片材料,为中国航空事业的发展做出应有的贡献。参考文献1董建文, 任忠鸣, 任维丽, 李喜, 李旭. 横向磁场对镍基高温合金定向凝固组织的影响J, 金属学报, 2010; 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