（材料学专业论文）长期时效对gh4199合金板材组织与拉伸和持久性能影响的研究.pdf

东北大学硕士学住论文 摘要 摘要 g h 4 1 9 9 合金相当于原苏联3 n 1 9 9 合金，是一种高强度、可焊接、抗氧化的 镍基变形高温合金，用于航空飞机发动机加力燃烧室隔热屏、可调节喷口隔热 屏等相关部件。本论文在以前实验室工作的基础上，开始采用工业生产的 g h 4 1 9 9 合金进行比较系统的固溶和长期时效处理，并对其组织及其拉伸、持久 性能的影响进行研究。 对于合金的组织，主要观察了v 相、t c p 相、碳化物这三种在y 基体上 析出的第二相。其中，y 相和碳化物是合金的主要强化相；t c p 相则对台金 的各项性能都有显著的恶化效果。 通过试验，比较全面的研究了g h 4 1 9 9 合金在固溶状态时空冷( 或水冷) 处 理制度下的室温、高温拉伸性能；不同长期时效状态合金的室温、高温拉伸性 能与持久性能，并对上述实验的试样断口进行了分析。 合金在长期时效过程中碳化物在晶内和晶界上均有析出，且晶界处多于晶 内。在8 0 0 。c 时效时的碳化物的尺寸明显大于9 0 0 c 时效时的尺寸。析出的碳化 物有m 2 3 c 6 型、m 7 c 3 型等， 发现工业合金在长期时效时析出了针状t c p 相。t c p 相主要在晶内析出并 且随着时效时间的延长，针状t c p 相不断地长大。t c p 相与碳化物的析出特性 有着类似之处，即8 0 0 。c 时效时的t c p 相尺寸也明显大于9 0 0 。c 时效时的尺寸。 实验观察到析出的t c p 相有u 相、o 相。 随着时效温度的增加，y7 相的颗粒长大迅速，聚并长大趋势增加显著， 粒子平均半径的负三次方与时效时间成正比，符合里夫希茨瓦格纳的粒子成熟 理论；析出的y7 相大颗粒由圆形趋向于方形。析出总量随温度的增加有一个 极大值。 固溶处理空冷试样拉伸强度大于水冷试样。在l1 0 0 1 1 4 0 之间固溶处理试 样的9 0 0 。c 高温与室温拉伸强度达到最大值；随固溶温度的增加而降低。延伸率 与拉伸强度的变化大体上呈相反趋势。 1 1 0 0 。c 与1 1 5 06 c 固溶处理试样，拉伸强度随温度增加而迅速下降：延伸率 则都在8 0 0 。c 左右达到最低。合金固溶处理后，无论是空冷还是水冷，其拉伸断 口都显示为韧断为主，水冷后的断口比空冷后的断1 2 1 的形貌中韧断更多一些。 东北大学硕士学位论文 高温长期时效处理合金的室温及高温拉伸强度总体说来是降低的，并且8 0 0 长期时效试样在2 0 0 小时的拉伸性能有一个突然下降的现象。t c p 相的析出 使8 0 0 。c 长期时效试样的韧性明显降低。对断口的分析也可以看到t c p 相的析 出使试样明显变脆。 由于t c p 相的析出，合金在8 0 0 。c 时效时的持久性能下降迅速，但持久实验 断口形貌中韧断仍占绝大部分，基本没有脆断的痕迹。 关键词：镍基高温合金；持久性能；拉伸性能；长期时效 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t g h 4 1 9 9 a l l o ye q u i v a l e n tt od n l 9 9a l l o yo fu s s r ，i sah i g hs t r e n g t h ，w e l d a b l e ， a n t i o x i d i z e da n d w r o u g h t n i - b a s e s u p e r - a l l o y t h i s a l l o y i su s e dt of o r c e d c o m b u s t o ri na i r c r a f te n g i n ea sh e a ti n s u l a t i o ns h i e l da n da d j u s t a b l ej e tn o z z l ee t c o nt h eb a s eo ff o r m e rw o r k so fo u rl a b o r a t o r y , t h i st h e s i su s e di n d u s t r yp r o d u c t e d g h 4 1 9 9a l l o ya n ds t u d i e dt h ei n f l u e n c eo fs o l i d - s o l u s i o na n dl o n g t e r ma g i n gh e a t t r e a t m e n to nm i c r o s t r u c t u r e sa n dt e n s i l e ，d u r a t i o np r o p e r t y a c c o r d i n g t ot h em i c r o s t r u c t u r e s ，t h e r ea r et h r e ek i n d so f n e w p h a s e s ：y 7 p h a s e ， t c p p h a s ea n dc a r b i d e sp h a s et h a tp r e c i p i t a t e df r o mt h em a t r i x y p h a s e o f t h e t h r e ep h a s e s ，y p h a s ei st h ep r i m a r ys t r e n g t h e np h a s e ，b u tt c p p h a s em a k e s b a d e f f e c tt ot h ea l l o y t h eh i g h - t e m p e r a t u r ea n dr o o m - t e m p e r a t u r et e n s i l ep r o p e r t i e so fs o l i d - s o l u s i o n t r e a t e d a l l o yf o l l o w e db ya i r - c o o l i n g o rw a t e rc o o l i n g ；t h eh i g h - t e m p e r a t u r ea n d r o o m - t e m p e r a t u r et e n s i l ep r o p e r t i e sa n dd u r a t i o np r o p e r t i e so fl o n g - t e r ma g i n gh e a t t r e a t e da l l o yw e r es t u d i e di nd e t e a l , a n dt h ef r a c t o g r a p h i e so ft h e s es a m p l e sw e r e a n a l y s i s e d t h ec a r b i d e s p r e c i p i t a t ei nb o t h ym a t r i xa n dg r a i nb o u n d a r i e s ，t h er a t eo f c a r b i d e s g r o w t ha f t e r8 0 0 。cl o n g - t e r ma g i n gh e a tt r e a t m e n ti so b v i o u s l yf a s t e rt h a n t h a to f9 0 0 。c l o n g - t e r ma g i n gh e a tt r e a t m e n t t h em 2 3 c 6a n dm 7 c 3c a r b i d e sh a s b e e nf o u n d e d t c pp h a s es e p a r a t e so u ti nt h ei n d u s t r yp r o d u c e da l l o y t c pp h a s em a i n l y p r e c i p i t a t e si nt h e ym a t r i xa n di tg r o w su pc o n t i n u a l l ya st h eh e a tt r e a t m e n tt i m e i n c r e a s e t h eg r o w t ho ft c p p h a s ei ss i m i l a r t ot h a to ft h ec a r b i d e sp h a s e ，t h et c p p h a s e sg r o w i n g r a t eo f8 0 0 cl o n g - t e r ma g i n gh e a tt r e a t m e n ti sa l s of a s t e rt h a nt h e t h a to f9 0 0 。c l o n g t e r ma g i n gh e a tt r e a t m e n ts a m p l e t h eua n d o k i n do ft c p p h a s e a r ef o u n d a st h et e m p e r a t u r eo fb e a tt r e a t m e n ti n c r e s i n g , t h er a t eo ft h eg r o w t ho fy p h a s ei n c r e a s e sr a p i d l y , a n dt h et r e n d e n c yo f t h eg a t h e r i n gu po f y p h a s eg r a i n a l s oi n c r e a s e sr a p i d l yt h em i n u sc u b eo f g r a i n s a v e r a g er a d i u si sp r o p o r t i o n a lt ot h e m 东北犬学硕士学位论文 摘要 t i m eo ft h eh e a tt r e a t m e n t ，c i o n c i d ew i t ht h el i f t s h i t z w a g n e rt h o r yt h es h a p eo f t h el a r g ey 7 p h a s e t u r n sf r o ms p h e r i c a lt oc u b i cs h a p ea n dt h et o t a lq u a n t i t yo f t h et y p h a s ee x p e r e n c e sam a x m u nf r o ml o wt e m p e r a t u r et oh i g ht e m p e r a t u r eh e a t t r e a t m e n t t h et e n s i l ep r o p e r t yo f t h es a m p l es o l i d - s o l u s i o nt r e a t e da t11 0 0 - 1 4 0 0 。cr e a c h e s t ot h em a x m u mu n d e rt h ec o n d i t i o no fr o o m t e m p e r a t u r ea n d9 0 0 。c ，t h e s em a x m u m r e d u c ea st h es o l u s i o n t e m p e r a t u r e i n c r e a s e s t h ee x t e n s i o ni n c r e a s e sw i t ht h e d i c r e a s eo f t e n s i l ep r o p e r t ya c c o r d i n gt ot h eh e a tt r e a t m e n t t e m p e r a t u r e a t 11 0 0 a n d115 0 s o l i d s o l u s i o n s a m p l e s t e n s i l e p r o p e r t y d e c r e a s e r a p i d l ya st h ee x p e r i m e n t a lt e m p e r a t u r er a i s e s ，t h ee x t e n s i o nr e a c h e st om i n m u m a t a b o u t8 0 0 。cb o t ha i r - c o o l i n ga n dw a t e r - c o o l i n gs a m p l e so ft h es o l i d s o l u s i o n t r e a t e d a l l o y sf r a c r o g r a p h y a r e m a i n l yt o u g h n e s sf r a c t u r e ，a n d t h e r ea r em o r e t o u g h n e s s f r a c t u r ei nw a t e r - c o o l i n gs a m p l e st h a nt h a to f a i r - c o o l i n gs a m p l e s h i g ht e m p e r a t u r el o n g - t e r ma g i n g h e a tt r e a t m e n t s a m p l e s t e n s i l e p r o p e r t y d e c r e a s ea st h et i m ep r o l o n ga n dt h e r ei sas u d d e n l yd e c r e a s ea ta b o u t2 0 0 ha n d8 0 0 l o n g - t e r mh e a tt r e a t m e n ts a m p l e a t8 0 0 2 ，t h ep r e c i p i t a t eo f t c pp h a s e r e d u c e s t h ea l l o y st o u g h n e s st h e f r a c t o g r a p h ya n a l y s i sa l s os h o w t h a tt c p p h a s em a k e s t h e a l l o y b r i t t l e b e c a u s eo ft h ep r e c i p i t a t e o ft h et c p p h a s e , t h e8 0 0 。0t e m p e r a t u r el o n g - t e r m h e a tt r e a t m e n ts a m p l e sd u r a t i o np r o p e r t yd e c r e a s e sr a p i d l yb u tt h ef r a c t o g r a p h yi s m o d l e o f t o u g h n e s sf r a c t u r e ，n om o d l e o f b r i t t l ef r a c t u r ei sf o u n d k e y w o r d ：n i - b a s es u p e r a l l o y ；t e n s i l ep r o p e r t y ；e n d u r a n c e ； l o n g - t e r ma g i n g h e a t - t r e a t m e n t 东北大学硕士学位论文 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰 写的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 本人签名： 日期： 东北走学硕士学位论文 1 绪论 高温合金，又称超合金、耐热合金等，英文名称为s u p e ra l l o y 或者h i g h t e m p e r a t u r ea l l o y 。一般基体组织为合金化的奥氏体组织( y ) ；强化相则多种多 样。高温合金具有优良的高温性能，广泛用于航空、航天、发电、石油及化学、 化工等工业中关键部件中。在工业及国防中的重要性使得它已经成为世界各国金 属材料发展水平的重要标志【l 】o 1 1 高温合金的发展历史及现状 1 1 1 高温合金的历史 高温合金起源于英美，1 9 2 9 年m e f i c a 、b e d f o r d 和p i l l i n g 等人将少量的t i 和a 1 加入到8 0 n i 2 0 c r 电工合金之中，使该合金具有显著的高温蠕变强化作用。 2 0 世纪四十年代初期，由于燃气轮机的出现，以及当时德国、英国等相继研制成 功了涡轮喷气式发动机。喷气发动机热端部件特别是涡轮叶片对材料的耐高温性 和应力承受能力具有很高的要求，推动了高温合金的迅速发展。在实践中，人们 发现a 1 、t i 等元素可以形成n i 3 a l 形式的y 强化相；以及钴、钼、钨、钒等其 它有益的合金元素，从而发展起来多种牌号的高温合金【2 】。 英国高温合金的发展较早。1 9 3 9 年，m o n d 镍公司( 国际镍公司) 首先研制 出低c 且含t i 的镍基高温合金n i m o n i c 7 5 ；1 9 4 2 年n i m o n i c s 0 被成功地用于涡轮 喷气发动机的叶片材料，成为第一种在发动机上应用的高温合金【3 1 。n i m o n i c 8 0 合 金含a l 、t i ，为y 相强化材料。后来，该公司在高温合金中加入多种合金元素， 发展形成n i m o n i c 系列合金，有n i m o n i c l 0 5 、1 0 8 、11 5 、1 1 8 等h 。 美国于1 9 3 2 年开发了含铝、钛的标散强化型镍基高温合金k 4 2 b ，该合金在 4 0 年代被用以制造活塞式航空发动机的增压涡轮。1 9 4 1 年以后，美国开始发展航 空燃气涡轮；1 9 4 2 年研制出h a s t e l l o yb 镍基合金并用于g e ( 通用电气) 公司生 产的b e l l p 一5 9 及- 4 0 喷气式发动机。1 9 4 4 年西屋公司生产的y a n k e e l1 9 a 发动机 东北大学硕士学位论文 l 绪论 采用了钻基合金h s 2 3 精密铸造叶片。美国p w 公司( 普拉特惠脱尼) 、通用电 气、和特殊镍公司分别开发出w a s p a l l y 、m 一2 5 2 和u d m i t5 0 0 等合金，并分别形成 了i n c o n e l 、m a r - m 和u d m i t 等牌号系列。 苏联高温合金发展与英美相似，合金类型有3m 4 3 5 、3m 4 3 7 1 3 、3h 6 1 7 、 3h 9 2 9 及9 n 2 2 0 等，合金牌号种类非常多 5 l a 综合起来，各国高温台金工艺的发展历程大体相同。4 0 年代到5 0 年代中期， 主要是通过合金成分的调整来提高台金性能。5 0 年代真空冶炼工艺的出现，合金 中有害杂质和气体的去除，特别是合金成分的精确控制，使高温合金工艺前进了 一大步。为使材料能够承受较高温度和具有较高强度，合金中加入的固溶强化的 难熔金属和a 1 、t i 总量不断增加，使得合金变形更加困难。因此，铸造高温合金 得到了广泛的应用，并降低了成本。 6 0 年代以后，定向凝固、单晶合金、粉末冶金、机械合金化，陶瓷过滤、等 温锻造等新型工艺的研究迅速发展起来。其中采取定向凝固工艺制造的单晶合金， 使用温度接近合金熔点的9 0 ，先进航空发动机无不采用单晶高温合金涡轮叶片， 单晶高温合金是本领域最先进的技术之。 目前在高温合金领域内，大量使用的主要是铁基、镍基、钴基高温合金。铁、 钴、镍基高温合金的典型组织基本是：合金化的奥氏体基体；弥散分布与其中的 强化相，它可以是碳化物或金属间化合物相，例如n i 3 ( a j ，t i ) 型的v 相和n i 3 n b 或n i 3 t a 型的y ”相，另外弥散分布的强化相也可以是用粉末冶金和机械合金化 方法得到的稳定化合物质点；在晶界和其附近区域还会合理地分布一些碳化物或 金属间化合物以强化晶界；此外还有适量的微量元素( 如硼、锆、镁、铈等) 偏 聚在晶界附近区域，以进一步强化或净化晶界，甚至消除晶界在高温时的弱化因 素。因此，从合金组织的角度出发，可以将铁、钴、镍基高温合金的强化归纳为 固溶强化，第二相强化和晶界强化三个基本强化手段。 东北大学硕士学位论文 1 1 2 我国高温合金的发展简述 为满足航空喷气式发动机的需要，我国于1 9 5 6 年开始研制生产高温合金h 1 。 第一种高温合金是g h 3 0 3 0 ( 31 44 3 5 ) 用作w p 一5 航空发动机火焰筒。之后相继 研制成功了w p 一5 发动机用的g h 4 0 3 3 ( 3h4 3 7 b ) 、g h 3 4 ( 3t 4 4 1 5 ) 和k 4 1 2 等，均为仿苏产品。 6 0 年代初，全国在“独立自主，自立更生”的方针指导下，先后研制成功 g h 4 0 3 7 、g h 3 0 3 9 、g h 3 0 4 4 、g h 4 0 4 9 、g m l 2 8 、k 4 1 7 等高温合金。至7 0 年代 初，我国仿制、消化和发展的苏联高温合金及其工艺，已经达到或超过了苏联标 准和实物水平，并且航空发动机所需材料全部立足于国内。六七十年代，由于受 国外封锁，且国内资源缺镍少钴，我国研制发展了多种铁基高温合金。至7 0 年代 初，研制生产的铁基高温合金牌号达3 3 个，其中我国独创的达1 8 种之多。其中 g h l l 4 0 、g h 2 1 3 5 、g h 3 5 a 和k 2 1 3 等4 种合金至今仍在大量应用。 7 0 年代以后，我国开始引进w s 8 、w s 9 、w 2 6 、w 2 8 等欧美发动机，并 自行研制生产w p 1 3 等发动机，相应引进和试制了一批欧美体系的高温合金，并 按欧美标准进行质量管理和生产，使我国高温合金生产水平接近西方工业国家的 水平。与此同时，我国自行研究和开发了g h 4 1 3 3 、g h 4 1 3 3 b 、g h 3 1 2 8 、g h l 7 0 、 k 4 0 5 、k 4 2 3 a 、k 4 1 9 和5 3 7 等一批新式的镍基合金 6 1 。 近5 0 年来，我国在自力更生的基础上，立足于我国航空发动机研制和生产的 需要，学习和吸收外国先进技术，研制、试制和生产了1 0 0 多种高温合金，总计 产量达6 万吨左右。用于生产高温合金的设备有大型真空感应炉、不同容量的电 渣炉、大型真空电弧炉、大型真空电子束炉以及大型快锻、精锻机、挤压机、水 压机等 不仅如此，我国在高温合金体系建立过程中，还研究开发了一系列有特色的 工艺技术，其中低偏析新技术和加镁微合金化等技术为世界领先。通过偏析技术， 控制杂质元素磷、硫、硅等的低含量，创制了一系列低偏析合金，其承温能力比 原型合金高2 0 。c 2 5 。c ，在国外加m g 净化材质和改善热加工性能基础上，我国七 东北大学硕士学位论文 i 绪论 八十年代进一步发现m g 的偏聚晶界、改变晶界行为可显著提高合金的持久强度和 塑性等性能。 从6 0 年代开始，为适应我国航天工业的发展，先后为各种火箭发动机研制r 一批高温合金，我国的高温合金已经在民用工业部门得到推广应用并相继开发出 一批高温耐蚀的高温合金。 1 2 镍基高温合金的特性及强化机理 2 0 世纪四十年代初期，随着燃气轮机的出现，推动了高温合金的发展。六十 多年来，随着燃气进口温度的提高己经发展出系列高温合金。其材料本身的承 温能力由6 5 0 c 提高到11 0 0 * c 左右。 1 2 1 镍基高温合金的特性 在铁基、镍基、钴基三种合金中，镍基高温合金使用最为广泛，这是由于镍 基与铁、钻基相比，具有许多方面的优越性： 镍为面心立方结构，没有同素异构转变；在高温下相稳定性好，可以固溶进 多种合金元素而不产生有害相。另外，镍具有较高的化学稳定性，抗氧化能力强， 因而镍基合金的抗氧化能力也最强。 由于镍本身的优越特性，使得它成为最佳的一种基体金属，镍基高温合金在 绝大多数使用条件下都优于铁基与钴基合金。它广泛的用来制造航空喷气发动机、 各种工业燃气轮机的最热端部件，如涡轮部分的工作叶片、导向叶片、涡轮盘、 燃烧室等。若以1 5 0 m p at 0 0 小时持久强度为标准，则目前镍基合金所能承受的最 高温度约l 1 0 0 。c ，而钴基合金为9 5 0 c ，铁基( 铁镍) 合金 临界值，即有可能析出。 而 2 4 5 2 ，5 0 就可能出现a 相。 但是，对于铸造镍基高温合金来说，其临界五万值低于变形合金。丽i 23 2 就可能 在使用或热暴露过程中析出a 相。这主要是因为铸造偏析所致，许多合金元素在 枝晶间区域偏析，便枝晶间区的而值高于合金平均的雨值。在镍基合金里a 相 的形成温度一般为7 5 0 9 0 0 6 c 。出现“相的而值要比a 相出现的而值低。w o o d y a t t 等人把高钨和钼合金出现扯相的临界电子空位数定为2 ，3 0 。低于此值的合金不会 析出u 相，高于此值则可以析出。 1 3 2 碳化物 碳化物为间隙相，其中碳与化合物原子的原子尺寸因素是决定其晶体结构的 基本因素。当碳原子半径r c 与金属元素的原子半径r m 之间的比值小于05 9 时就 形成简单结构的间隙相；当r c 与r m 之比大于o 5 9 时则生成复杂结构的碳化物。金 属元素的电子因素影响碳化物的稳定性和各元素形成碳化物的能力。 碳化物强化高温合金的性能一般认为碳化物必须弥散分布、大小要适中时才 会起到强化作用，否则会起恶化合金的作用2 2 1 。 几乎所有的高温合金都不可避免地生成m c 相，t i 、n b 、t a 、z r 、h f 等是 m c 主要形成元素。合金中的c r 、w 、m o 的含量会影响其所出现的碳化物的类型， 含w 、m o 较商的合金易生成b l o c ：含c r 较高的合金则易生成m 2 3 c 6 1 2 3 1 。 1 7 东北走学硕士学位论文 碳化物也有判断其生成趋势的经验公式： c r ( 原子) ( c r + m o + o 7 w ) ( 原子) 】 0 8 2 ，生成m 2 3 c 6 c r ( 原子) ，( c r + m o + o 7 w ) ( 原子) 】 0 7 2 ，生成m 6 c 0 7 2 ( c w o ( 原予) ( c r + m o + o 7 w ) ( 原子) 】 0 8 2 ，随热处理变化。 我国的高温合金大多数都有m 2 3 c s 相，合金的时效温度对碳化物的析出也有 影响，高温时效时易析出m 6 c ；时效温度低一些时就易析出m 2 3 c 6 f 2 4 j 。 1 4 本工作研究背景与内容 “a2 1 3 l 由发动机用x h 5 6 b m t i o ( g i 壬4 1 9 9 ) 合金的研制”课题组前一阶段 的研究工作主要在实验室内进行，包括有关合金化学成分、合金元素影响、小锭 型冶炼、成型、热处理工艺参数、合金组织的探索与初步研究，及部分性能测试 等探索性研究，为合金生产做好准备，取得了一定的成果。 在上述工作基础上，转入大炉型生产g h 4 1 9 9 板材、棒材。本实验工作用料 使用抚顺钢厂经双真空冶炼工艺生产的合金板材为试样，进一步研究合金出厂时 、的圃溶处理参数的选择及对性能影响。重点研究模拟合金使用条件( 变化温度和 ，延长时间) 下，性能衰减和组织变化，以期待找到其规律，为发动机设计提供必 要的依据。 主要研究工作如下： 1 合金长期时效的组织及其变化规律，包括合金中碳化物、t c p 相、y 相 的形貌和结构、尺寸分析、长大倾向、热力学与动力学分析。 2 合金的拉伸和持久性能，包括固溶态和时效态，研究固溶温度和冷却介质 对拉伸性能和断口的影响，重点研究8 0 0 。c 和9 0 0 。c 不同时效时间( 1 0 0 h 、2 0 0 h 、 5 0 0 h 、1 0 0 0 h ) 的拉伸性能和持久性能的变化，以期得到变化规律性，摸清进一步 研究的方向。 东北走学硕士学位论文 2 实验方法 2 1 引言 2 实验方法 合金的性能主要决定于它的化学组成和组织结构。当合金成分一定时，影响合 金组织的因素有冶炼铸造、塑性变形和热处理等工艺，其中热处理工艺对合金组 织的影响最为显著。不同的加热温度、保温时间和冷却速度以及各种特殊热处理 制度，可使合金的晶粒度、强化相的沉淀( 或溶解) 、析出相的数量和颗粒尺寸， 甚至晶界状态等都会有所不同。所以同一种合金经不同热处理后具有不同的组织， 因而具有不同的性能和用途。高温合金热处理通常分为固溶处理、中阅处理( 也 称低温固溶或高温时效) 和时效处理三个阶段。 高温合金成分复杂，在钢液凝固和随后冷却过程中析出细小y 相和碳化物相 m c 、m 6 c 和m 2 3 c 6 等，在塑性变形过程中进一步析出m 6 c 或m 2 3 c 6 。固溶处理目 的就是将这些相尽量溶入基体中，以得到基体的y 单相组织，给以后的时效沉淀 析出均匀细小的强化相做准备。固溶处理过程中还需要注意的是应控制固溶处理 制度以获得均匀的合适晶粒尺寸，在较高固溶温度下，合金中的晶粒容易长大， 因此固溶时间要恰当，过短或过长都会对组织和性能产生有害的影响。在本次实 验中，固溶温度选择为1 1 2 0 。c ，固溶时间为2 0 分钟，都是由以往的经验所确定的。 本次实验所用g h 4 1 9 9 合金是板材，在实际使用的过程中，由于固溶处理会在 一定程度上使板材变形，合金在固溶处理后才会被加工成发动机的零部件。这就 使得g h 4 1 9 9 合金有一个加工成型的过程，在这个过程之中，要求合金的强度要 低，不能很硬。因此，在g h 4 1 9 9 合金固溶处理后的冷却过程中，应尽量使之不 能有沉淀强化相析出，我们选择水冷制度来保证这一点。 高温合金的时效处理，也称第二相沉淀处理，其目的是在合金基体中析出一定 数量和大小的强化相，如y 相，y ”相，晶内碳化物相等，以达到合金最大的 、 强化效果。时效处理对合金强度起决定性作用。包括本实验中所研究的g h 4 1 9 9 合金在内的绝大部分高温合金主要以v 相强化，强化程度主要取决于y 相数 量和大小。 东北走学硕士学位论文2 实验方法 g h 4 1 9 9 合金不仅含有铝、钛，而且钨、钼的含量非常的高，这样，我们可以 设想在g h 4 1 9 9 合金中，y 相的析出倾向是非常大的。在a l 含量为52 9 时， y7 相的析出会十分明显。从n i a l 相图看，这些合金元素实际上是扩大y 相区 的元素，y 相区会扩大，这种析出趋势在较低温度( 7 0 0 8 0 0 ) 时会很大； 而当温度升高时，y7 相在y 相基体中的溶解度加大，析出趋势仍然会降低，这 种变化的趋势应该会在实验之中观察到。另外，v 相溶解其它合金元素引起自 身晶体结构也会产生变化，由于y 相是在晶内析出的，颗粒非常地小，这些内 部的变化不一定能够观察到。y 相是g h 4 1 9 9 合金的主要强化相，其主要指标 是总含量与晶内弥散程度。所以，本次实验对y7 相的长大特性进行了观察。 高温在时效过程之中，还会析出一些其它种类的相，主要有碳化物，t c p 相等。 其中，碳化物在晶界、晶内都会有析出，其对合金的强化作用也很不相同；而针 状t c p 相的析出则会带来合金的强度、韧性、蠕变等性能的严重下降，是我们所 不希望出现的。由于合金成分已定，本次实验主要是观察和分析碳化物和t c p 相 的析出规律及它们与合金拉伸性能之间的具体关系。 本实验通过对一定固溶处理后的试样进行不同的温度和时间时效处理，经室温 拉伸性能和高温持久性能的测定、t e m 透射电镜观察、图象分析仪分析等方法研 究了合金在不同长期时效制度下的组织、拉伸性能的变化规律，以及组织与拉伸 性能的关系。 2 2 实验方法与过程 2 2 1 实验用料 实验用料为g h 4 1 9 9 合金板材，取自抚顺钢厂提供的双真空感应炉冶炼中 2 5 0 m m 自耗锭，3 0 吨蒸汽锤锻造钢坯7 0 c m x1 8 0 c m 板坯，轧制成1 5 m m 厚的板 材。合金成分如表2l 所示，试样的热处理制度如表22 、2 3 、2 4 、2 5 所示。 塞些苎兰塑圭兰竺篁耋! ；童墼童童 表2 1g h 4 1 9 9 合金成分 t a b l e 2 1g h l 4 9 9 a l l o yd e m e n tc o n t e n t 表2 2 时效试样热处理制度 t a b l e 2 2s a m p l e sh e a tt r e a t m e n t 表2 3 不同冷却介质拉伸实验制度 t a b l e 2 3t e n s i l ec o n d i t i o n sa f t e rb e n t - t r e a t m e n ti nd i f f e r e n tc o o l i n ga g e n t 表2 a1 1 0 0 c 圃溶拉伸实验制度 t a b l e 2 at e n s i l es y s t e ma f t e rs o l i ds o l u s i o nb e n t - t r e a t m e n ta t1 1 0 0 c 表2 51 1 5 0 c 圃涪拉伸实验制度 t a b l e 2 5t e n s i l es y s t e ma f t e rs o l i ds o l u s i o nh e a t - t r e a t m e n ta t1 5 0 0 ( 2 2 2 2 实验方法 ( 1 ) 拉伸性能的测定2 5 1 拉伸试样厚a = i 5 m m ，宽b = 2 5 m m 。在拉伸试样机上进行静载荷拉伸。 2 1 东北太学硕士学位论文 2 实验方法 图2 1 板型拉伸试样( m n l ) n 9 2 1t e n s i l es a m p l e ( m m ) 抗拉强度ob ( m p a ) 是试样拉断前最大负荷的应力，即试样所能承受的最大负荷 除以原始截面积： ob 爿b ，f o 其中：p b _ 一拉断前试样所能承受的最大负荷，公斤力。 f 0 - 一试样的原始截面积，毫米2 。 ( 2 1 ) 延伸率6 是试样拉断后标距长度的增量与原标距长度的百分比： 6 = ( 1 - p 1 0 ) l 。1 0 0 = a l r 1 0 1 0 0 ( 2 2 ) 其中：l k 试样断裂后的标距长度，毫米。 1 0 一一试样原始标距长度，毫米。 持久试样1 5 m m 厚，1 0 r a m 宽，在8 0 0o ( 2 、2 0 8 m p a 拉伸持久。得到试样在这一 条件下的持久时间t ( h ) 与持久延伸率6 。 图2 2 板型持久试样示意l i f t ( r a m ) f i 9 2 2e n d u r a n c es a m p l e ( r a m ) 东北太学硕士学位论文2 实验方法 ( 2 ) 透射电镜试样的制备及观察 在试样上用线切割机分别截下0 4 0 5 m m 厚的薄片，经人工减薄至2 0 - 3 0 um 后，冲成由3 r a m 小圆片各5 个，再在m t p l 磁力驱动双喷电解减薄器上 最终减薄，电解液为：1 0 h c l 0 4 + 9 0 c 2 h 5 0 h ，抛光电压5 0 7 5 v ，电流5 0 m a ， 双喷时利用干冰将电解温度控制在一2 5 3 0 。c 之内。机械减薄后，将试样薄片 用酒精洗净后，晾干。试样利用透射电镜进行观察并照相。 透射电镜照得的金属中相的衍射斑点照片可以确定此相的晶体结构，利用 公式 2 6 l ： d = r l ( 2 3 ) 计算得出d 值，并查物质d 值表确定。其中本次实验所用的透射电镜的电 镜常数l 九为1 8 7 ( n m a ) 。 ( 3 ) 扫描电镜试样的制备及观察 利用线切割方法切下大小适中的所需式样，不需镶嵌，用试样夹固定，在由粗 到细的砂纸上仔细磨光并抛光，直至在光学显微镜下看不到划痕。利用腐蚀液： h c i ( 浓2 0 m 1 ) + c 2 h 5 0 h ( 8 0 m 1 ) + c 2 h s o h ( 4 9 ) 进行腐蚀，直至在光学显微镜下看 到没有明显的划痕，并且可以清晰地看到晶界与部分晶内析出相( 长期时效试 样) 为止，试样利用扫描电镜进行观察并照相。 2 3 预期设想 通过利用上述实验方法对g h 4 1 9 9 合金的研究，主要希望获得以下组织状态形 貌或数据； ( 1 ) 长期时效过程中y7 相的长大规律。 ( 2 ) 长期时效过程中t c p 相与碳化物的形貌及析出规律。 ( 3 ) 不同时效处理制度试样的室温、高温拉伸与高温持久实验的抗拉强度、持久 性能与它们的延伸率。 ( 4 ) 拉伸实验与持久实验的断口形貌。 东北大学硕士学住论文 3 合金长期时效的组织及其变化规律 3 合金长期时效的组织及其变化规律 3 1 碳化物 3 1 _ 1 碳化物形貌与结构 图31 为合金在不同时效处理制度下的扫描电镜组织照片： 东北犬擘硕士学位论文3 合金长期时效的组织及其变化规律 图3 1s e m 组织观察 f i 9 3 1 $ e mp h o t o g r a p h f a ) 1 1 2 0 c 固溶 ( b ) ( c ) ( d ) ( e ) 1 1 2 0 c 固溶+ 8 0 0 ( 3 l o o h 、2 0 0 h 、5 0 0 h 、1 0 0 0 h ( f ) ( g ) ( h ) ( i ) 1 1 2 0 c 固溶+ 9 0 0 l o o h 、2 0 0 h 、5 0 0 h 、1 0 0 0 h 通过31 可以清楚地看出：碳化物在晶内和晶界上均有析出，并且晶界上的碳 化物要生长的更快更大。碳化物与t c p 相的析出特性有着类似之处，在8 0 06 c 时 效时的长大速度也明显大于9 0 0 。c 时效时的长大速度。这种现象可能是由于它们之 间的晶体结构的类似所造成的。 3 1 2 碳化物电子探针成分分析 利用电子探针对观察到的晶内碳化物与晶界碳化物进行成份探测，得到碳化物 的成份分别如图32 、33 和表31 、3 2 所示： 图3 2g h 4 1 9 9 晶内碳化物能谱分析 f i 9 3 2e n e r g ys p e c t r u ma n a l y s i so f g h 4 1 9 9c a r b i d e 表3 1g h i ? 9 晶内碳化物元素百分比 t a b l e 3 1e l e m e n tp e r c e n to f c a r b i d ei ng h 4 1 9 9 e l e m e n t i n t e n s i t yw e i g h t * 、 a t k - v a l u ezf c 0 9 0 9 4 5 2 32 4 9 9 70 0 0 8 6 3 0 8 9 0 0 33 8 7 8 7 6 0 2 7 9 2 8 3 3 2 1 2 2 2 4 6 2 7 7 7 6 1 0 2 6 1 4 8 5 8 2 6 9 5 3 1 5 5 0 3 3 7 1 3 7 1 4 2 2 1 8 9 6 8 3 0 4 7 9 1 0 7 2 6 1 3 4 0 8 o 0 0 6 5 90 9 4 7 6 8 1 1 1 0 8 2 0 1 0 0 3 30 9 4 1 6 5 1 0 6 0 4 4 0 ，1 9 5 6 30 9 1 1 4 71 0 2 4 2 3 0 0 7 3 6 3 1 0 2 5 3 11 3 5 5 7 1 0 2 0 3 1 81 0 5 1 0 31 1 4 5 9 1 1 0 0 0 0 01 0 0 0 0 0 0 5 8 7 9 9 图3 3g h l 9 9 晶界碳化物能谱分析 f i 9 3 3e n e r g ys p e c t r u ma n a l y s i so fg h 4 1 9 9c a r b i d e - 2 6 一58u n 臼 m w m 塞些苎兰堡圭兰竺篁塞! ：全垒苎塑塑兰竺垒堡垒苎壅些丝 表3 2g h l 9 9 晶界碳化物元素百分比 t a b l e 3 2e l e m e n tp e r c e n to fc a r b i d ei ng h 4 1 9 9 e l e m e n t i n t e n s i t yw e i g h t a t k v a l u ezf 对于图3 2 与表3l