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Inconel617圓鋼、鍛件

沉淀硬化不銹鋼：17-4PH(SUS630 / 0Cr17Ni4Cu4Nb)、17-7PH(SUS631 / 0Cr17Ni7Al)
雙相不銹鋼：F51(2205 / S31803 / 00Cr22Ni5Mo3N)、 F52(S32950)、  F53(2507 / S32750 / 022Cr25Ni7Mo4N)
 F55(S32760 / 022Cr25Ni7Mo4WCuN)、 F60(S32205 / 022Cr23Ni5Mo3N)、329(SUS329J1/ 0Cr26Ni5Mo2/ 1.4460)
耐腐合金：20號(hào)合金(N08020 / F20)、904(N08904/ 00Cr20Ni25Mo4、5Cu/ 1.4539)、254SMO(F44/ S31254/ 1.4547)

通過(guò)真空定向凝固技術(shù)制備出V含量分別為0.3%、0.6%和0.9%的DZ125柱狀晶高溫合金,并對(duì)其進(jìn)行組織觀察、相組成分析、蠕變性能測(cè)試及長(zhǎng)時(shí)效處理,深入研究了元素V對(duì)DZ125合金組織及性能的影響。使用掃描電子顯微鏡觀察不同V含量的鑄態(tài)和熱處理態(tài)合金的碳化物、γ’相、γ相和γ+γ’共晶相微觀形貌,結(jié)果表明,隨著合金中V含量的增加,合金中碳化物的形貌由片狀先轉(zhuǎn)變?yōu)轭w粒狀,而后再轉(zhuǎn)變?yōu)獒槧?。合金?gamma;’相、γ相和γ+γ’共晶相形貌幾乎不變,但能譜分析表明,它們中V含量亦隨合金中V含量增加而增加。采用電解法萃取合金中的γ’相,并對(duì)不同V含量鑄態(tài)及熱處理態(tài)合金及其γ’相進(jìn)行XRD衍射分析,結(jié)果表明,合金中基體γ相主要為元素Ni、Ta、Hf、Cr、Co、W、Mo、Ti、Al組成的固溶體,γ’相主要為Ni3[Al,Ti],碳化物主要是MC型碳化物。測(cè)定出合金中γ相及γ’相的晶格常數(shù),并計(jì)算γ/γ’晶格錯(cuò)配度,隨合金中V含量的增加,合金中γ相及γ’相的晶格常數(shù)均先減小后增大,γ/γ’兩相晶格錯(cuò)配度也先減少后增大。熱處理后對(duì)不同V含量的DZ125合金進(jìn)行高溫蠕變性能測(cè)試表明,隨著V含量的增加,合金蠕變壽命先增加后略降低,蠕變激活能及表觀應(yīng)力指數(shù)也先增加后略降低。

當(dāng)合金中V含量較低時(shí),位錯(cuò)主要以攀移繞過(guò)機(jī)制通過(guò)γ’相,而V含量較高時(shí),位錯(cuò)在基體中滑移及位錯(cuò)切入第二相。對(duì)不同V含量的DZ125合金進(jìn)行3000h長(zhǎng)時(shí)效,隨著V含量的增加,MC型碳化物分解成M23C6型碳化物的速率逐漸加快,塊狀碳化物由邊緣開始分解,針狀碳化物斷裂分解,γ’相長(zhǎng)大速*逐漸加快而后大幅下降,TCP相出現(xiàn)時(shí)間逐漸提前,數(shù)量逐漸增加,隨后逐漸回溶。進(jìn)行蠕變性能測(cè)試,隨著時(shí)效時(shí)間的增加,當(dāng)V含量較少時(shí),1000h后蠕變壽命開始降低,到2000h下降了約三分之一,當(dāng)V含量較多時(shí),2000h后蠕變壽命開始降低,到3000h下降了約三分之一,當(dāng)V含量過(guò)多時(shí),蠕變壽命下降非常緩慢。高溫蠕變期間,熱處理態(tài)的合金中γ+γ’共晶相是裂紋的主要發(fā)源地,經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)效后,裂紋會(huì)先選擇在M23C6型碳化物上萌生,沿晶界擴(kuò)展長(zhǎng)大至斷裂,其次才選擇在γ+γ’共晶相處萌生,沿較大尺寸的共晶薄弱處及碎裂的細(xì)小碳化物或晶界擴(kuò)展長(zhǎng)大,直至發(fā)生斷裂。高溫蠕變斷裂后,斷口的微觀形貌與材料的伸長(zhǎng)率相對(duì)應(yīng),韌窩的尺寸越大,數(shù)量越多,則滑移跡線越少,材料的塑性就越好。
XM-19（S20910 / Nitronic 50）、318(3Cr17ni7Mo2N) 、C4(00Cr14Ni14Si4/ 03Cr14Ni14Si4)
因科洛伊合金：Incoloy800H(N088100/ 1.4958)、Incoloy825(N08825/ 2.4858)、Incoloy925(N09925) Incoloy926(N08926/1.4529)
高溫合金：Gr660(SUH660/ S66286/ A-286/ GH2132/ 0Cr15Ni25Ti2MoAlVB/ 1.4980)、Nimonic 80A(N07080/ GH4180)
GH3030 (GH30)、 GH4145 (2.4669)、 GH4169 (2.4668)

TiAl合金具有低密度、良好的抗氧化性、高溫強(qiáng)度和優(yōu)異的疲勞性能。因其金屬間化合物的原因,使其兼具金屬和陶瓷的性能,目前常被作為空、天及汽車發(fā)動(dòng)機(jī)用耐熱結(jié)構(gòu)件的材料。TiAl合金的缺點(diǎn)也很明顯,其室溫塑性和韌性低,可加工性差。通過(guò)熔模精密鑄造可有效解決其加工性差的問(wèn)題,但因其凝固收縮較大,鑄件易產(chǎn)生裂紋,一次成型率較低。有研究人員通過(guò)改善鑄型的退讓性的方法來(lái)降低鑄件所受應(yīng)力,改善鑄件裂紋缺陷。因?yàn)門iAl合金原材料和生產(chǎn)成本十分高,采用傳統(tǒng)試錯(cuò)法探索是不可行的。利用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬手段優(yōu)化精密鑄造工藝,可提高鑄件品質(zhì),降低成本及縮短產(chǎn)品試制周期。本課題利用ProCAST進(jìn)行TiAl合金熔模鑄造過(guò)程的數(shù)值模擬,利用數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比,表明通過(guò)數(shù)值模擬可以很好地預(yù)測(cè)TiAl合金凝固缺陷和組織的形成,為鑄造工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)和有力支撐。為了便于計(jì)算,在使用ProCAST進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)通常將鑄型的應(yīng)力類型設(shè)置成剛性,而在實(shí)際情況下鑄型不可能為剛性,其會(huì)隨著鑄件的變形而發(fā)生變形。鑄型的這種變形會(huì)影響鑄件內(nèi)部的應(yīng)力分布和鑄件的質(zhì)量。

本文利用ProCAST軟件將鑄型設(shè)置為線彈性,通過(guò)改變型殼預(yù)熱溫度的方法模擬了不同型殼預(yù)熱溫度下鑄件應(yīng)力、應(yīng)變和微觀組織,并與理論相對(duì)比來(lái)判斷使用線彈性型殼進(jìn)行模擬時(shí)結(jié)果的準(zhǔn)確性,同時(shí)還進(jìn)行了型殼不同楊氏模量的模擬研究,為后續(xù)通過(guò)ProCAST研究型殼退讓性做出一些參考。由于抗彎強(qiáng)度常用來(lái)表征鑄型的退讓性,因此本文采用在TiAl合金精密鑄造用陶瓷型殼中添加纖維的方法,研究了不同含量碳纖維和尼龍纖維對(duì)型殼不同狀態(tài)下抗彎強(qiáng)度的影響。研究結(jié)果表明,添加少量碳纖維可以提高型殼濕強(qiáng)度、降低型殼室溫和高溫干強(qiáng)度,但當(dāng)添加量達(dá)到10%后會(huì)同時(shí)提高型殼濕強(qiáng)度、室溫和高溫干強(qiáng)度。在型殼中添加含量在10%以內(nèi)的尼龍纖維時(shí),隨尼龍纖維添加量的增加,型殼濕強(qiáng)度、室溫和高溫干強(qiáng)度均會(huì)降低。綜合考慮型殼運(yùn)輸、裝配和澆鑄后清理等過(guò)程對(duì)濕強(qiáng)度和室溫干強(qiáng)度的要求,以及改善退讓性所要求的相對(duì)較低的高溫干強(qiáng)度,適量的添加碳纖維可以在滿足使用要求的同時(shí)提高型殼的退讓性。

GH3535鎳基合金是第四代*反應(yīng)堆—釷基熔鹽堆的主要結(jié)構(gòu)材料,該合金在700℃高溫,高腐蝕性的苛刻環(huán)境里具有良好的高溫性能和耐熔鹽腐蝕性能。不同于合金本身均勻的組織特征,焊接接頭具有顯微偏析、第二相析出和晶粒極不均勻的特性,這些特性使得焊接接頭常常成為部件的薄弱環(huán)節(jié)。采用高熱輸入量的焊接方法焊接鎳基合金常出現(xiàn)焊縫凝固裂紋、熱影響區(qū)液化裂紋或再熱裂紋等問(wèn)題,因此采用小熱輸入的激光焊接技術(shù)是焊接GH3535合金的一種優(yōu)選方案。然而有關(guān)GH3535合金激光焊接的研究極其匱乏。本文采用激光自熔焊方式進(jìn)行GH3535合金焊接,研究關(guān)鍵工藝參數(shù)對(duì)焊縫氣孔的影響及其形成機(jī)制,解決鎳基合金焊縫存在大量氣孔缺陷問(wèn)題;基于熔鹽堆高溫高腐蝕性的服役特點(diǎn),研究GH3535合金激光焊接頭在高溫短時(shí)熱處理和低溫*時(shí)效的組織性能演變特性,獲得GH3535合金接頭組織性能演變規(guī)律;研究接頭熔鹽腐蝕行為,揭示激光焊接頭腐蝕特性。采用高速攝像技術(shù)及表征方法分析了激光焊接過(guò)程匙孔的動(dòng)態(tài)變化及熔池的流動(dòng)特征。焊縫氣孔的形成受匙孔穩(wěn)定和熔池振蕩影響,脈沖激光模式下由于熔池具有攪動(dòng)效應(yīng)而使得CO氣孔減少,連續(xù)激光模式下由于激光匙孔的不穩(wěn)定存在而使得焊縫氣孔率較高。經(jīng)過(guò)工藝的優(yōu)化獲得氣孔率極小的焊接接頭,對(duì)焊態(tài)接頭的組織和性能進(jìn)行了特性分析?；谀汤碚摷霸囼?yàn)研究,焊縫區(qū)枝晶間區(qū)域存在k<1的Mo、Si和C的元素偏析,焊縫凝固時(shí)發(fā)生共晶反應(yīng):L→L+γ→L+γ+M6C→γ+M6C。

熱影響區(qū)近縫區(qū)球狀M6C碳化物受高溫?zé)嵫h(huán)影響發(fā)生組分液化而轉(zhuǎn)變?yōu)镸6C-γ共晶碳化物。焊接接頭抗拉強(qiáng)度與母材相當(dāng),斷裂部位不在焊縫區(qū)和共晶轉(zhuǎn)變區(qū),說(shuō)明共晶碳化物的形成并未損傷短時(shí)拉伸性能。基于熔鹽堆高溫*運(yùn)行特點(diǎn),對(duì)焊接接頭進(jìn)行700℃,不同時(shí)效時(shí)間的組織性能分析。焊縫區(qū)和熱影響區(qū)中一次碳化物周圍的元素偏析區(qū)析出納米級(jí)細(xì)小M6C并逐漸長(zhǎng)大球化,原一次M6C-γ共晶碳化物因系統(tǒng)自由能的驅(qū)動(dòng)由棒狀逐漸演變?yōu)榍驙頜6C碳化物。焊接接頭拉伸性能在時(shí)效100h后,其抗拉強(qiáng)度升高并至3000h后抗拉強(qiáng)度趨于穩(wěn)定,時(shí)效10000h后接頭抗拉強(qiáng)度（555MPa）約比焊態(tài)接頭強(qiáng)度高55MPa,熱影響區(qū)大尺寸的M6C成為材料失效的主裂紋源;焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的碳化物的演變及析出并未損傷接頭的拉伸性能;時(shí)效后接頭的高溫持久壽命提高約56%,其斷裂位置位于焊縫區(qū)中部的縱向晶界處。時(shí)效后M6C的析出和局部應(yīng)變的均勻化提高了接頭的持久性能,接頭持久斷裂受焊縫中心大角度縱向晶界特性主導(dǎo)。采用兩種碳含量的焊件分析了碳化物對(duì)焊縫組織演變的影響。固溶處理后,無(wú)碳化物焊縫,其組織轉(zhuǎn)變?yōu)榇执蟮容S晶;有碳化物焊縫,碳化物阻礙晶界的遷移,使得晶粒長(zhǎng)大的激活能提高:低碳無(wú)M6C焊縫晶粒長(zhǎng)大激活能為106.5 kJ mol-1,高碳有M6C焊縫晶粒長(zhǎng)大激活能為934.7 kJ mol-1,碳化物的存在對(duì)焊縫組織的穩(wěn)定至關(guān)重要。

采用靜態(tài)腐蝕試驗(yàn)研究了接頭的不均一性對(duì)腐蝕行為的影響。焊接接頭晶粒組織的不均一特性并未體現(xiàn)出腐蝕行為的差異。焊接接頭的腐蝕是以Cr的擴(kuò)散溶出為主導(dǎo)的均勻腐蝕特征。通過(guò)本文研究,可見GH3535合金激光焊接接頭具有良好的焊接性、高溫?zé)岱€(wěn)定性和耐熔鹽腐蝕性,本研究為激光焊接技術(shù)在熔鹽堆中的應(yīng)用奠定了研究基礎(chǔ)。TiAl基合金由于其良好的比強(qiáng)度、高溫抗蠕變性能和導(dǎo)熱性,做為中高溫輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料在空天領(lǐng)域應(yīng)用潛力較大,然而,由于室溫塑性低和可加工性差制約了其應(yīng)用。另外,空發(fā)動(dòng)機(jī)越來(lái)越高的推重比的需求對(duì)高溫合金材料的抗氧化性提出了更高的要求,在如何提高合金的塑性和高溫抗氧化方面的研究,將對(duì)TiAl基高溫合金的實(shí)際應(yīng)用具有重要的意義。合金化作為改善材料性能的重要手段,在TiAl基合金中得到了廣發(fā)的應(yīng)用,使得合金的多方面性能得到改善和提高。本文采用性原理的方法,研究了常用合金元素合金化對(duì)TiAl基合金的γ相和α2相的彈性性能和間隙原子擴(kuò)散性能的影響,從而獲得一些實(shí)驗(yàn)上難以獲得的性能參數(shù),為TiAl基合金的成分設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供理論支持。通過(guò)對(duì)γ相和α2相在壓力作用和合金元素固溶情況下的晶體結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)、彈性性能、熱力學(xué)性能和氫、氧間隙原子的晶格擴(kuò)散性能等的計(jì)算。得到如下結(jié)論:（1）計(jì)算了壓力作用下γ相和α2相的晶體結(jié)構(gòu)、彈性性能和熱學(xué)性能。結(jié)果表明:γ相和α2相在壓力作用下晶格主要壓縮方向存在差異,分別為c軸和a軸方向;零壓下,γ相具有更高的強(qiáng)度和更差的塑性,兩相的強(qiáng)度和塑性隨壓力的升高而升高;在20GPa左右的壓力作用下,兩相的強(qiáng)度、塑性、熱膨脹系數(shù)和熱容等性能趨于*。（2）計(jì)算了γ相和α2相的R元素（R=Zr、Hf、Sn、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn、Co、Ni和Ga）固溶體的晶格常數(shù)、電子結(jié)構(gòu)、彈性和熱性能。
Inconel617圓鋼、鍛件結(jié)果表明:在γ相中,傾向于置換Ti原子的元素有Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo和W,而傾向置換Al原子的為Sn和Ga,占位趨勢(shì)不明顯的元素有Mn、Co和Ni。W、Mo、Cr、V、Sn、Ta、Nb和Ga元素固溶強(qiáng)化作用明顯,可以提升γ相的強(qiáng)度和硬度,其原因?yàn)?合金化導(dǎo)致態(tài)密度整體左移,晶體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性提高,原子間成鍵的共價(jià)性增大。Co、Mn和Ni元素有利于改善合金體系的塑性,原因是:合金化引起態(tài)密度的主成鍵峰變寬變緩,Ti（d）-Al（p）鍵的消弱作用,原子間成鍵的共價(jià)性減弱。在α2相中,除合金元素Sn和Ga元素傾向于置換Al原子外,其它元素均傾向于置換Ti原子;Ta、Ga、Hf、V、Nb和Zr元素固溶強(qiáng)化作用明顯,合金體系強(qiáng)度和硬度增加,其引起原因?yàn)?合金化導(dǎo)致晶體中成鍵強(qiáng)度增大,共價(jià)性增強(qiáng)。Co、Cr、Ni、Mn、Sn、W、和Mo元素有利于改善合金體系的塑性,效果較為顯著有Co、Cr和Ni元素。（3）計(jì)算了氫原子在γ相和α2相中及其固溶體中的擴(kuò)散行為。