1.簡(jiǎn)介
鑄造耐熱鎳合金技術(shù)的主要問(wèn)題之一是其形狀成形的能力，以提供所需的鑄造性能。的蠕變強(qiáng)度，耐力下熱結(jié)合 - 機(jī)械疲勞和鎳基超合金的可塑性，用于航空燃?xì)鉁u輪機(jī)的特定應(yīng)用而優(yōu)化可以例如通過(guò)的尺寸，方向和晶粒的均勻性的合適的選擇來(lái)實(shí)現(xiàn)。
在某些熱和機(jī)械負(fù)載條件下，鎳基高溫合金的蠕變斷裂強(qiáng)度隨晶粒尺寸的增加而增加。然而，在許多情況下，屈服強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度降低。此外，鑄件的細(xì)晶粒組織的特征在于具有較高的穩(wěn)態(tài)蠕變速度[1-4]。
因此，合理地掌握控制這些合金原始結(jié)構(gòu)的形狀的能力，使其適合所生產(chǎn)產(chǎn)品的工作條件即可?？刂畦T造耐熱鎳合金的晶粒尺寸的方法主要包括：通過(guò)引入適當(dāng)?shù)奶砑觿?，非均相成核劑[5-7]對(duì)表面進(jìn)行改性，使凝固合金受到機(jī)械因素的影響，并對(duì)液態(tài)合金進(jìn)行體積改性。在文獻(xiàn)中，有許多關(guān)于使用精煉方法[8]并用微添加劑改性[9-10]對(duì)鎳超合金進(jìn)行微結(jié)構(gòu)精煉的信息。
該研究包括評(píng)估在澆鑄模具時(shí)表面和體積的改變以及雙重過(guò)濾對(duì)由鎳基高溫合金IN-713C和MAR-247的廢料制成的鑄件在加速蠕變下的穩(wěn)定性的影響。分析了兩種研究條件下微晶尺寸對(duì)高溫蠕變特性的影響。變型I的蠕變特性是在先前對(duì)這些合金的研究中獲得的，參數(shù)為T = 982°C，σ= 150MPa [1]。變體II包括對(duì)參數(shù)為T = 760°C的IN713C進(jìn)行合金蠕變測(cè)試，σ= 400MPa，合金MAR247，參數(shù)T = 982°C，σ= 200MPa。這些研究模擬了在極端條件下觀察到的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)較劇烈部分的破壞過(guò)程?？紤]到材料宏觀和微觀結(jié)構(gòu)的立體特征，分析了樣品中裂紋形成和生長(zhǎng)的條件。實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的結(jié)果可以初步評(píng)估不同技術(shù)對(duì)航空用燃?xì)廨啓C(jī)中特定應(yīng)用進(jìn)行改性的鎳基高溫合金的適用性。
2.材料和研究方法制備了四組尺寸為（M12，do = 6.0 mm lo = 32mm）的螺紋樣品。用于宏觀和微觀結(jié)構(gòu)機(jī)械測(cè)試的樣品由鑄件制成，其起始批料是鎳基高溫合金IN-713C和MAR-247的廢料，其化學(xué)成分示于表1。
通過(guò)以下四個(gè)鑄造實(shí)驗(yàn)獲得了鑄件：
1.Cast IN-713C，（藍(lán)色，藍(lán)色濾鏡的一種形式）
2.Cast IN-713C，（白色，藍(lán)色濾鏡的一種形式）
3.Cast MAR-247，（藍(lán)色，藍(lán)色濾鏡的一種形式）
4.Cast MAR-247，（白色，藍(lán)色濾鏡的一種形式）
Leybold–Heraeus在Al 2 O3坩堝中熔煉廢品，然后在IS 5 / III型真空感應(yīng)爐中進(jìn)行鑄造的過(guò)程。實(shí)驗(yàn)2和4包括僅在體積修改過(guò)程中對(duì)材料的宏觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行成形。而實(shí)驗(yàn)1和3在組合修飾的條件下，即所謂的表面修飾和體積修飾。
表面和體積改性的整個(gè)過(guò)程需要應(yīng)用所謂的“藍(lán)色”形式（具有改性涂層CoAl2O4），并將另外含有鋁酸鈷的過(guò)濾器放置在流道盤(pán)中。該溶液的另一個(gè)結(jié)果是合金的雙重過(guò)濾。
蠕變測(cè)試是在與飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的運(yùn)行條件相對(duì)應(yīng)的條件下進(jìn)行的。使用了不同的測(cè)試參數(shù)，包括與用于給定超級(jí)合金的WSKRzeszów與技術(shù)報(bào)告卡兼容的驗(yàn)收測(cè)試相對(duì)應(yīng)的參數(shù)（對(duì)于IN713C：T = 982°C，σ= 150MPa，對(duì)于Mar247：T = 982°C，σ = 200MPa）。在機(jī)器WalterBai AG LFMZ-30kN上進(jìn)行了蠕變測(cè)試。使用表中列出的參數(shù)進(jìn)行了研究。 1.表1還列出了確定這組合金（圖1）[11、12]的變形機(jī)理的參數(shù)，即所謂的歸一化應(yīng)力τN=τ/ G和同源溫度TH = T / Ttop。設(shè)計(jì)蠕變測(cè)試參數(shù)（表1）以獲取有關(guān)晶粒尺寸對(duì)材料蠕變特性影響的信息。根據(jù)航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用，該領(lǐng)域的知識(shí)將允許以合理的方式在鑄造過(guò)程中塑造鑄件的宏觀結(jié)構(gòu)。重要決定鑄件宏觀組織特征的本質(zhì)主要是其熱機(jī)械載荷的條件。
對(duì)變形機(jī)理圖的分析表明，取決于測(cè)試條件（溫度和應(yīng)力），超級(jí)合金蠕變過(guò)程中的塑性變形可能是由于擴(kuò)散或位錯(cuò)蠕變而發(fā)生的。根據(jù)R. L. Coble和Nabarro-Herring模型，在擴(kuò)散蠕變條件下，穩(wěn)態(tài)蠕變速率顯著取決于晶粒尺寸，分別用關(guān)系（1）和（2）進(jìn)行描述[12-14]：
其中：B，C –材料常數(shù)，σ–應(yīng)力，Dgz –跨晶界擴(kuò)散系數(shù)，b – Burgers矢量，k –玻爾茲曼常數(shù)，T –絕對(duì)溫度，d –晶粒直徑，Ω–原子量，d –有效厚度，Dv –晶格擴(kuò)散系數(shù)雖然在位錯(cuò)蠕變機(jī)制的情況下，它由關(guān)系式（3）描述，但與晶粒尺寸無(wú)關(guān)：
其中：A，n –材料常數(shù)τ–剪切應(yīng)力，Def擴(kuò)散系數(shù)，G –剪切模量b – Burgers矢量，k –玻爾茲曼常數(shù)，T –絕對(duì)溫度，d –晶粒直徑。
同時(shí)應(yīng)注意的是，在蠕變?cè)囼?yàn)條件下，由于位錯(cuò)蠕變導(dǎo)致材料變形，體積擴(kuò)散（Nabarro-Hering模型）和跨晶界（Coble'模型）可能會(huì)同時(shí)發(fā)生，強(qiáng)度。這些過(guò)程中每個(gè)過(guò)程對(duì)變形的貢獻(xiàn)取決于溫度，應(yīng)力，晶粒尺寸及其邊界結(jié)構(gòu)[12-13]。
3，調(diào)查結(jié)果和結(jié)果討論
表中列出了在蠕變?cè)囼?yàn)的變型II條件下研究的所選鑄件結(jié)構(gòu)的圖像。 3.在Marble試劑中腌制用于顯微鏡觀察的制劑。表4和表5列出了測(cè)試樣品宏觀和微觀結(jié)構(gòu)的選定形態(tài)參數(shù)。使用MetIlo程序評(píng)估了宏觀結(jié)構(gòu)的基本參數(shù)。在蠕變測(cè)試后，對(duì)樣品的橫截面（d0 = 6mm）進(jìn)行測(cè)試。
金相研究表明，僅體積改變的作用是在高溫合金中形成粗晶粒結(jié)構(gòu)，同時(shí)進(jìn)行體積和表面修飾導(dǎo)致形成細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)（表4和5）。從增強(qiáng)被測(cè)合金的強(qiáng)度和蠕變條件下的可持續(xù)性的觀點(diǎn)出發(fā)，對(duì)碳化物相析出的研究非常重要，表明其在超級(jí)合金MAR-247中具有更高的表面AA（表4和表5）。初級(jí)碳化物主要以“漢字”的形式出現(xiàn)在晶界區(qū)域[2]。
標(biāo)簽。圖4和表5總結(jié)了與蠕變特性相關(guān)的被檢查高溫合金的宏觀結(jié)構(gòu)立體參數(shù)，例如樣品破裂時(shí)間tz，穩(wěn)定蠕變速度Vu。這些值對(duì)于定義決定材料在高溫蠕變下的穩(wěn)定性的因素非常重要。
圖2和圖3顯示了根據(jù)研究I型進(jìn)行的蠕變?cè)囼?yàn)基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的高溫合金IN713C和MAR-247的蠕變特征。
對(duì)于超級(jí)合金，IN-713C的穩(wěn)定性將主要取決于大晶粒的尺寸，對(duì)于具有粗晶粒結(jié)構(gòu)的樣品，其穩(wěn)定性將達(dá)到t = 50小時(shí)，而對(duì)于具有粉碎晶粒的樣品，其體積達(dá)到28小時(shí)（t = 50小時(shí)）和表面改性（表4）。同樣，在合金MAR-247的高溫蠕變中，大晶粒的尺寸從根本上影響樣品的破裂時(shí)間。具有粗粒結(jié)構(gòu)的樣品的穩(wěn)定性比粉碎的谷物樣品高20％以上。
從表4中出的數(shù)據(jù)可以清楚地看出，所測(cè)試材料的穩(wěn)定性還強(qiáng)烈取決于其微觀結(jié)構(gòu)中公開(kāi)的AA碳化物的面積。新參數(shù)AA / N（碳化物的表面積指的是樣品表中的晶粒數(shù)，表6）很好地說(shuō)明了這種效果。無(wú)論該蠕變?cè)囼?yàn)中此參數(shù)的增加如何，經(jīng)測(cè)試的高溫合金tz都較高，而穩(wěn)定蠕變速度Vu則達(dá)到較低的值（表4）。
研究和分析的結(jié)果表明，在完成的測(cè)試中，跨晶界的擴(kuò)散蠕變決定了穩(wěn)態(tài)蠕變速度Vu和超級(jí)合金的穩(wěn)定性（表4）。我們可以假設(shè)，在I測(cè)試變量的給定情況下（t = 980°C，σ= 150MPa），擴(kuò)散蠕變下的穩(wěn)定性（樣品破裂時(shí)間）決定了跨晶界的滑移。它調(diào)節(jié)了裂紋的形成和擴(kuò)展過(guò)程。在這種情況下，決定高溫合金穩(wěn)定性的因素是碳化物的表面積與樣品橫截面上的晶粒數(shù)量之比（AA / N）。該表達(dá)式的值越高，表示材料在蠕變測(cè)試中的穩(wěn)定性越高。
對(duì)與蠕變?cè)囼?yàn)變型II對(duì)應(yīng)的參數(shù)所獲得的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行的分析（圖4、5，表5）表明，通過(guò)增加軸向應(yīng)力σ（導(dǎo)致歸一化應(yīng)力τ/ G增大）。 ）在超級(jí)合金IN-173C和MAR-247的情況下，都沒(méi)有觀察到大顆粒尺寸對(duì)信條穩(wěn)定性的影響（圖4和5）。蠕變耐久性的差異只有幾個(gè)小時(shí)。這表明，在這些蠕變測(cè)試條件下，材料變形過(guò)程主要是在位錯(cuò)機(jī)制下發(fā)生的，而不是如先前在Nabarro-Herring矩陣擴(kuò)散機(jī)制（體積）下觀察到的（圖2、3）并通過(guò)Coble跨越晶界（這導(dǎo)致具有粗粒結(jié)構(gòu)的材料的穩(wěn)定性提高了）。圖6很好地說(shuō)明了蠕變測(cè)試參數(shù)對(duì)由于軸向應(yīng)力σ增大而引起的材料變形（變形）機(jī)制變化的影響。
4。結(jié)論
總而言之，可以得出結(jié)論，在根據(jù)I變體進(jìn)行的蠕變測(cè)試的條件下，決定晶粒大的超級(jí)合金（圖3、4）的穩(wěn)定性增加的關(guān)鍵因素是通過(guò)晶粒尺寸的增加而達(dá)到的。破壞晶界的作用。在高溫下，由于滑移和爬升，晶界吸收了移動(dòng)的位錯(cuò)，這導(dǎo)致了應(yīng)變硬化的減少和材料的弱化。類(lèi)似地，由于所謂的高溫下越過(guò)晶界的滑移，晶界的減弱作用與材料的變形有關(guān)。效果是，晶?？梢员舜讼鄬?duì)滑動(dòng)，而不會(huì)在晶粒內(nèi)部產(chǎn)生明顯的變形。這些過(guò)程在這些測(cè)試條件下的結(jié)果是，觀察到細(xì)顆粒材料的穩(wěn)定性降低和變形率更高（圖3、4）。
而在歸一化應(yīng)力τN=τ/ G值增加的情況下，在蠕變?cè)囼?yàn)的II型條件下，從根本上限制了高溫合金的變形和穩(wěn)定性的因素（圖5、6）晶粒尺寸（可以從變形圖的分析中得出）。在這種熱和機(jī)械載荷下，材料的變形過(guò)程會(huì)在材料的整個(gè)體積中發(fā)生，這主要是由于位錯(cuò)機(jī)制（由于爬升和位錯(cuò)滑移造成的）。在這種情況下，晶界的作用是次要的。蠕變測(cè)試的結(jié)果證實(shí)了這一點(diǎn)，蠕變測(cè)試表明，大顆粒和小顆粒都具有相當(dāng)?shù)姆€(wěn)定性（圖5、6）。
滬公網(wǎng)安備 31011402010094號(hào)