热处理对FGH95镍基合金组织结构与蠕变行为的影响

【摘要】通过对不同温度热等静压(HIP)制备的FGH95粉末镍基合金进行不同工艺热处理、蠕变性能测试及组织形貌观察,研究热处理工艺对合金组织结构和蠕变性能的影响；通过热力学计算预测合金中碳化物的析出行为,通过XRD曲线分析,研究了热处理工艺与合金中γ’、Y两相晶格应变、蠕变性能之间的依赖关系,通过微观形貌观察及衍衬分析,研究合金在蠕变期间的微观变形特征与断裂机制。得出如下结论：FGH95镍基合金的组织结构主要由Y基体、γ’相及碳化物组成,采用不同工艺热处理可使合金中γ’相、碳化物具有不同的尺寸、形态及分布,其中,γ’相按析出特征分为一次、二次和三次γ’相,采用电解萃取方法测定出合金中γ’相的体积分数约为47～48%,且合金中可析出(Nb,Ti)C和(Cr,W)23C6碳化物。随着热等静压(HIP)温度升高,合金中原始颗粒边界(PPB)区域的一次粗大γ’相尺寸和数量减小,不同温度热等静压(HIP)合金经1155℃固溶、550℃盐浴及时效处理,晶界处仅存在少量粗大γ’相,并有较多粒状碳化物在晶内及晶界弥散析出；1120℃CHIP合金经1150℃固溶和时效处理后,颗粒边界区域仍存在较多粗大γ’相和γ’相贫化区,随固溶温度提高,粗大γ’相及γ’相贫化区数量减少。当固溶温度提高到1160℃,合金中粗大γ’相完全溶解,γ’相贫化区消失,其获得的组织是高体积分数细小γ’相在晶内弥散分布,并有粒状碳化物在晶内及沿晶界不连续析出；经1165℃固溶,合金的晶粒尺寸明显长大,并有片状碳化物膜沿晶界连续析出。热力学计算确定出NbC、TiC、Cr23C6和W23C6碳化物自合金中析出的温度分别为1353K、1090K、1009K和1536K；在583℃计算出合金中析出TiC、NbC、WC碳化物的相变驱动力为：-9.77J·mol-1、-11.23J·mol-1和13.48J·mol-1,形核驱动力为：-80.69J·mol-1、-59.95J·mol-1、-36.01Jmol-1;与元素Nb、Ti相比,Cr是弱碳化物形成元素,其中,析出TiC、NbC有较大的形核驱动力,是使合金中析出TiC、NbC或(Nb、Ti)C相的主要原因。随热等静压(HIP)温度提高,合金中γ、Y’两相的晶格常数值略有增加,而错配度逐渐减小,经完全热处理后,合金错配度由0.3322%减少到0.2838%；随固溶温度提高,合金中Y、γ’两相的晶格常数和错配度逐渐减小；与油浴处理合金相比,盐浴处理合金中Y、γ’两相具有较高的晶格错配度,是使合金具有较高蠕变抗力的原因之一。长期时效期间,合金中细小γ’相尺寸及晶格常数随着时效温度和时间的增加略有增大,而合金中γ、γ’两相间的错配度略有减小；与时效时间相比,时效温度对合金中γ、γ’两相的尺寸及晶格常数、错配度具有较大影响。不同温度热等静压(HIP)合金经1155℃固溶和550℃盐浴处理后,1180℃HIP合金具有较好的蠕变性能；随着固溶温度的升高,合金中原始颗粒边界区域的尺寸逐渐减小,且当碳化物沿晶界呈粒状分布时,合金具有较长的蠕变寿命,而当碳化物沿晶界呈片状连续析出时,合金的蠕变寿命大幅度降低；随时效温度的提高和时间延长,合金的蠕变寿命逐渐降低。在实验条件下,分别测出经工艺16、工艺5和工艺15制备合金的蠕变激活能分别为：Q1=597-2kJ·mol-、Q2=578.6kJ·mol-1和Q3=480.3kJ·mol-1。“油浴”处理合金的变形特征是位错在晶内发生单取向或双取向滑移；“盐浴”处理合金的变形机制是微孪晶变形、位错剪切或绕过Y’相,其中,当<110>位错切入Y或γ’相时,可分解形成1/6<112>肖克莱不全位错(或1/3<112>超肖克莱不全位错)+层错的位错组态；且合金中的微孪晶是由1/2<110>位错在γ基体中分解,形成“两1/6<112>肖克莱不全位错+层错”所组成。同时,蠕变期间,合金中可形成六角形或四边形的位错网络,且在γ’/γ两相界面形成的位错网可释放晶格错配应力,减缓应力集中,提高合金的蠕变抗力。合金在蠕变后期,“油浴”处理合金中晶内可发生双取向滑移,且在滑移迹线区域有细小碳化物析出,并在γ’相贫化区发生晶界组织的碎化；而在盐浴处理合金中晶内发生单取向滑移,随着蠕变进行,位错在晶界处塞积,并引起应力集中,致使裂纹在晶界处萌生并沿晶界扩展是合金的蠕变断裂机制。
【作者】谢君；
【导师】田素贵；
【作者基本信息】沈阳工业大学，材料加工工程，2013，博士
【关键词】FGH95镍基合金；热等静压；热处理；组织结构；晶格错配度；蠕变；变形特征；断裂机制；

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