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Inconel625無縫管固溶處理促進(jìn)DD640M和DD6509合金在1000～1200℃時(shí)效條件下析出更均勻更細(xì)小的二次碳化物。DD640M合金基體中只析出二次M23C6碳化物;DD6509合金中析出二次MC和M23C6碳化物,其中二次MC碳化物分布在基體中而二次M23C6碳化物分布在碳化物周圍。DD640M合金初生M7C3共晶碳化物在1280℃發(fā)生熔化,重凝組織為片層更細(xì)的M23C6共晶碳化物。M7C3共晶碳化物的熔化過程為M7C3碳化物先轉(zhuǎn)變成M23C6碳化物再發(fā)生熔化。初生MC共晶碳化物在1320℃發(fā)生熔化,重凝后形成骨架更細(xì)的MC共晶碳化物。DD6509合金中初生M23C6共晶碳化物熔化發(fā)生在1335℃以及MC共晶碳化物熔化發(fā)生在1340℃。本研究*關(guān)注了鈷基高溫合金中初生共晶碳化物的熔化現(xiàn)象,為優(yōu)化鈷基高溫合金的化學(xué)成分以及微觀組織提供借鑒。采用合適的熱處理方法可有效改善DD640M和DD6509合金的熱疲勞性能。
其中,DD640M 和 DD6509 合金分別在 1260℃/24h 和 1330℃/24h+1100℃/100h熱處理后熱疲勞性能提高為明顯。熱處理使得合金中碳化物更加彌散和細(xì)化,減緩熱疲勞裂紋萌生與擴(kuò)展,從而提高合金熱疲勞性能。DD640M和DD6509合金高溫固溶處理后持久壽命均有提高,其緣于熱處理后獲得良好的組織穩(wěn)定性、細(xì)小MC碳化物以及過飽和固溶體。DD640M合金鑄態(tài)樣品在高溫持久過程中發(fā)生了 M7C3→M23C6, M23C6→M6C和MC→M23C6轉(zhuǎn)變。熱處理使得鈷基高溫合金熱疲勞性能和持久性能均得到顯著提高,這改變了熱處理對(duì)鈷基高溫合金性能影響有限的認(rèn)識(shí),鈷基高溫合金熱處理應(yīng)該得到應(yīng)有的重視。兩種合金的成分差異影響合金碳化物組織的組成和穩(wěn)定性。DD6509合金的熱疲勞性能和高溫持久性能均優(yōu)于DD640M合金,歸因于DD6509合金更加穩(wěn)定的碳化物組織、較高的碳化物含量和二次MC碳化物的析出。Co-Al-W基合金中γ’相強(qiáng)化機(jī)制的發(fā)現(xiàn)顯著提高了鈷基高溫合金的承溫能力,為發(fā)展新型鈷基高溫合金開辟了道路。然而,目前國內(nèi)外針對(duì)新型鈷基高溫合金的研發(fā)主要集中在合金化元素對(duì)組織與性能的影響以及合金元素篩選方面;而對(duì)于其變形機(jī)制,特別是高溫下的蠕變行為研究還非常有限。因此,新型鈷基合金高溫蠕變變形機(jī)制成為對(duì)提高鈷基高溫合金承溫能力至關(guān)重要卻仍未解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。本論文以不同Ta和Ti含量的Co-Al-W基單晶合金為研究對(duì)象,研究了Ta和Ti的單獨(dú)及協(xié)同作用對(duì)γ’相粗化長大行為、蠕變性能等承溫能力的影響。以同時(shí)含有Ta和Ti元素的Co-Al-W-Ta-Ti單晶合金為研究對(duì)象,研究了鈷基單晶合金在高溫蠕變過程中微觀組織及位錯(cuò)組態(tài)的演變,揭示了γ’相強(qiáng)化鈷基高溫合金高溫蠕變變形機(jī)制。
在此基礎(chǔ)上,分析了初始微觀組織及位錯(cuò)組態(tài)特征對(duì)γ’相強(qiáng)化鈷基單晶合金高溫蠕變行為的影響規(guī)律與機(jī)理。Ta和Ti對(duì)承溫能力影響的研究表明:Co-Al-W基單晶合金中γ’相粗化符合LSW(Lifshitz-Slyozov-Wagner)理論,Ta和Ti元素的獨(dú)立和共同作用均能夠提高γ/γ’相界面能,從而加快γ’相在熱暴露過程中的粗化長大。添加Ta和Ti均能通過提高γ’相體積分?jǐn)?shù)提高Co-Al-W基單晶合金在900℃/420MPa條件下的蠕變性能。含Ta單晶合金在蠕變過程中會(huì)析出針狀χ相,導(dǎo)致其表現(xiàn)出脆性斷裂特征。與含Ti單晶合金相比,含TaTi單晶合金具有更高的γ’相體積分?jǐn)?shù)。此外,含TaTi單晶合金在蠕變過程中形成的封閉的γ通道以及γ’相內(nèi)的面角位錯(cuò)是其蠕變性能顯著高于含Ti單晶合金的主要原因。高溫蠕變變形機(jī)制的研究表明:含Ta和Ti的五元Co-Al-W基單晶合金在900℃/420MPa條件下的蠕變行為由減速蠕變階段(階段Ⅰ)、加速蠕變階段A(階段Ⅱ)、穩(wěn)態(tài)蠕變階段(階段Ⅲ)和加速蠕變階段B(階段Ⅳ)4個(gè)階段組成。螺位錯(cuò)滑移的“啟停機(jī)制”是階段Ⅰ蠕變速率快速下降的主要原因。雖然“啟停機(jī)制”在階段Ⅱ仍然有效,但在此階段γ’相發(fā)生平行于應(yīng)力方向的筏排化,位錯(cuò)在平行于應(yīng)力方向的γ通道內(nèi)的滑移以及層錯(cuò)在若干γ’相的連續(xù)擴(kuò)展是階段Ⅱ蠕變速率上升的原因。筏排化的γ’相厚度在階段Ⅲ開始增加,并形成封閉的γ通道。在γ/γ’相界面位錯(cuò)網(wǎng)以及γ’相中沿多個(gè){111}面擴(kuò)展的層錯(cuò)間相互反應(yīng)生成的面角位錯(cuò)能夠有效提高合金的變形抗力,使蠕變變形進(jìn)入穩(wěn)態(tài)蠕變階段。
在外加應(yīng)力的作用下微裂紋的萌生及擴(kuò)展是第Ⅳ階段蠕變速率上升的原因,此階段合金中位錯(cuò)網(wǎng)及層錯(cuò)等缺陷密度顯著提高。初始顯微組織對(duì)蠕變性能影響的研究表明:具有不同初始γ通道寬度、γ’相尺寸以及γ/γ’界面位錯(cuò)密度等初始組織特征的Co-Al-W-Ta-Ti單晶合金的高溫蠕變行為均由上述4個(gè)蠕變階段組成。其中,初始γ’相尺寸是影響合金高溫蠕變性能的主要因素。在0.15～0.53μm范圍內(nèi),Co-Al-W-Ta-Ti單晶合金在900℃/420MPa條件下的蠕變壽命隨初始γ’相尺寸的增加呈現(xiàn)出先增長后縮短的變化趨勢(shì)。合金中初始γ/γ’界面位錯(cuò)密度越大,小蠕變速率越高。但是,初始顯微組織特征對(duì)穩(wěn)態(tài)蠕變速率沒有明顯影響。根據(jù)以上三部分的研究結(jié)果和認(rèn)識(shí),本工作初步建立了含Ta、Ti的Co-Al-W基高溫合金的合金成分、顯微組織演變和蠕變性能之間的關(guān)系,為后續(xù)進(jìn)一步提高Co-Al-W基高溫合金承溫能力提供理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
Inconel625無縫管*空發(fā)動(dòng)機(jī)的鎳基單晶高溫合金渦輪葉片中小角度晶界和葉片制造過程中的表面處理不當(dāng),會(huì)使葉片在服役過程中誘發(fā)胞狀組織轉(zhuǎn)變,嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致機(jī)毀人亡的危險(xiǎn)。因此,有必要開展表面加工和晶界組態(tài)對(duì)鎳基單晶高溫合金胞狀組織轉(zhuǎn)變影響因素和演變規(guī)律的研究。本文以含Re鎳基單晶高溫合金SXG3(第三代)和CMSX-4(第二代)為研究對(duì)象,通過對(duì)單晶高溫合金進(jìn)行表面加工和保溫?zé)崽幚?研究其表面胞狀晶團(tuán)對(duì)高溫持久壽命的影響規(guī)律,探索并闡釋單晶塑性變形的各向異性和表面胞狀組織轉(zhuǎn)變的各向異性之間的關(guān)系。通過探索連接具有不同取向的含Re鎳基單晶高溫合金的方法,制備出具有晶界組態(tài)(包括旋轉(zhuǎn)軸、基準(zhǔn)面和取向差)的雙晶合金,定量的研究晶界組態(tài)對(duì)雙晶合金晶界胞狀組織轉(zhuǎn)變的影響規(guī)律。為了研究不同強(qiáng)度的表面加工對(duì)SXG3單晶合金薄板樣品高溫持久性能的影響,通過0.3 MPa/1 min和0.5 MPa/2 min的吹砂處理使SXG3單晶合金薄板在1100 ℃/200h真空熱處理過程中發(fā)生表面胞狀組織轉(zhuǎn)變,分別形成厚度為18和49 μm胞狀晶團(tuán),占據(jù)了 2.5X 1.5 mm薄板樣品橫截面的4%和11%。在980 ℃/250 MPa條件下,上述樣品的持久壽命分別下降了近30%和70%。裂紋沿胞狀晶團(tuán)的胞界萌生和擴(kuò)展;胞狀晶團(tuán)越厚,裂紋向基體擴(kuò)展的越深。為了探索表面加工對(duì)單晶高溫合金表面塑性變形和表面胞狀組織轉(zhuǎn)變的影響,采用加工強(qiáng)度較高的粗車+吹砂加工后,(001)面的表面塑性變形層厚度在[110]晶向處大,在[010]晶向處小,且呈現(xiàn)周期性變化:而經(jīng)與葉片實(shí)際生產(chǎn)中工藝參數(shù)相接近的吹砂加工后,(001)面的表面塑性變形層厚度較低且各向異性不顯著。經(jīng)1100 ℃/200h保溫?zé)崽幚砗?采用兩種工藝加工的單晶樣品表面胞狀晶團(tuán)厚度的各向異性與該單晶相同晶向處表面塑性變形層厚度及變化規(guī)律近似*,說明其厚度的各向異性取決于臨界塑性變形量。
通過調(diào)整單晶取向并分別采用過渡液相(TLP)法和自擴(kuò)散法連接單晶合金,可分別制備CMSX-4和SXG3合金晶界組態(tài)可控的雙晶合金。單晶連接過程在1290 ℃/10-3Pa的條件下進(jìn)行,保溫時(shí)間為12-24h。TLP法連接鑄態(tài)CMSX-4合金的過程中同步完成了合金的固溶處理。其中,自擴(kuò)散連接工藝制備的晶界沒有新相析出,是晶界組態(tài)可控雙晶合金的理想制備方法。晶界組態(tài)對(duì)含Re鎳基雙晶合金晶界處胞狀組織轉(zhuǎn)變影響的研究表明:SXG3雙晶合金[001]傾轉(zhuǎn)晶界在1100 ℃發(fā)生胞狀組織轉(zhuǎn)變的臨界取向差區(qū)間為20～25°:當(dāng)晶界取向差≤20°時(shí),晶界處形成一條γ相膜并析出粒狀R相;當(dāng)晶界取向差多25°時(shí),晶界處形成胞狀晶團(tuán)。當(dāng)[001]傾轉(zhuǎn)晶界的基準(zhǔn)面不同時(shí),晶界胞狀晶團(tuán)生長方向存在差異。