基于团簇结构模型的GH2132合金成分设计及组织性能研究

作     者：李陌 

作者单位：大连理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：董闯

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：GH2132合金 团簇加连接原子模型 成分标准 协同变化关系 强化机制 

摘      要：GH2132合金是析出强化型铁基高温合金,在650℃以下具有良好的热强性和组织稳定性,加工塑性和焊接性能较好,被广泛应用于在650℃以下工作的航空发动机高温承力部件,如涡轮盘、压气机盘、转子叶片和高温紧固件等。随着航空工业的发展,对各种材料的性能都提出了更为严苛的要求,要求材料在具备高强度、高韧性的同时还需要兼顾耐蚀性以及低成本。GH2132合金含有多种合金化元素,不合适的成分选择会导致合金综合性能的失配。为了进一步发展铁基高温合金以实现“以铁代镍,需要对GH2132合金进行成分设计,从而保证合金具有良好的组织稳定性。通过引入“团簇加连接原子结构模型,解析国标成分区间的合理性,提出一个新成分标准形式。该模型将合金成分的结构载体表述为[中心-第一近邻](连接原子)的团簇成分式形式。首先将合金化元素分为基体Fe、稳定奥氏体的(Ni,Mn)、稳定铁素体的(Cr,Mo,V,Si,Ti,Al)、以及不进入团簇式的(C,P,S,B)。通过分析国标规定的成分区间和实际合金成分,指出合金的实际成分区间远小于国标范围,由如下16原子的成分式限定:Fe(9～8.5)±0.25)(Ni,Mn)(Cr,Mo,V,Si,Ti,Al)。进而揭示了同类元素内部的质量百分比协同变化关系,即24.6≤Ni+Mn≤28.0和17.4≤Cr+0.6Mo+V+1.7Si+1.1Ti+1.8Al≤20.4。随后在此基础上设计系列合金成分,研究不同成分和热处理工艺对合金微观组织以及力学性能的影响规律。首先在真空感应电弧熔炼炉中制备合金锭,将熔炼制备的合金母锭进行1200℃/2 h均匀化处理,随后冷轧至～1.5 mm合金板,进行1000℃/2 h固溶处理,最后进行720℃/16h时效处理。对不同热处理状态的样品,利用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、电子探针(EPMA)、拉伸机、硬度计等进行了物相结构、微观组织、力学性能表征。实验结果表明:具有最佳的Ni、Cr元素配比的合金团簇式为Fe(?)(?)Ni(?)Cr,铸态组织为单相g(FCC结构)基体。通过均匀化处理+冷轧+固溶+时效处理可以改变基体的晶粒尺寸和组织形貌,球形g’-Ni(Ti,Al)均匀弥散分布在g基体上,晶内存在初生TiC,晶界附近析出少量片状η-NiTi。随着固溶温度在900～1080℃范围内提高,脆性相η-NiTi含量逐渐减少,GH2132合金断裂方式由脆性断裂转变为韧性断裂,且随着固溶温度上升,晶粒尺寸逐渐长大,在1000℃固溶处理2 h时,合金强塑性匹配达到最优。在1000℃固溶2 h,720℃/16 h时效状态下,Fe(?)(?)Ni(?)Cr合金抗拉强度达1113 MPa,延伸率达24.5%,综合性能优异。