DZ409合金成分优化及近服役状态微观组织演变研究

作     者：赵鑫磊 

作者单位：太原理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：乔珺威;吴剑涛

授予年度：2023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：DZ409合金 Ti 微观组织 典型力学性能 成分优化 变截面持久中断实验 近服役状态 

摘      要：定向凝固镍基高温合金具有优异的高温强度和抗热腐蚀性能,广泛用于制造重型燃气轮机涡轮叶片。DZ409合金是我国研制的一种新型定向凝固镍基高温合金,目前Ti对合金微观组织和力学性能的影响规律及其优化、近服役状态下合金微观组织演变规律尚不明确。本研究对不同Ti含量(3.4、4.3和5.6 wt.%)铸态DZ409合金进行相同的热处理工艺。通过对比不同Ti含量铸态和热处理态合金的微观组织以及不同Ti含量热处理态合金的典型力学性能,探究Ti对DZ409合金微观组织和典型力学性能的影响规律并选择最佳Ti含量对合金进行成分优化;对成分优化后的热处理态合金进行变截面持久中断实验,探究应力和温度对DZ409合金近服役状态下的微观组织演变规律。Ti对DZ409合金微观组织的影响规律研究表明:不同Ti含量铸态合金均呈典型枝晶形貌。经热处理后,合金枝晶形貌随Ti含量增加逐渐退化。不同Ti含量铸态和热处理态合金中Ti、Ta、Al、Mo元素偏析于枝晶间,Co、Cr、W元素偏析于枝晶干,其中Ti和W元素的偏析程度最严重;随着Ti含量的增加,铸态和热处理态合金中Ti和W元素的偏析均得到了改善。铸态和热处理态DZ409合金MC碳化物和γ/γ′共晶相的面积分数和尺寸随Ti含量增加而增大,其中Ti含量为5.6 wt.%的铸态和热处理态合金γ/γ′共晶相周围生成了η相。热处理态DZ409合金γ′相的立方度、尺寸和体积分数随Ti含量增加而增大且不同Ti含量热处理态合金枝晶干和枝晶间γ′相形貌、尺寸和体积分数相差不大。Ti对DZ409合金典型力学性能的影响规律研究表明:热处理态DZ409合金室温和650℃抗拉强度和屈服强度及980℃/185 MPa条件下的持久寿命随Ti含量增加逐渐升高,γ′相立方度和体积分数增大是其典型力学性能强度随Ti含量增加而升高的主要原因。热处理态合金室温和650℃拉伸伸长率及980℃/185 MPa条件下的持久伸长率随Ti含量增加逐渐下降,其中Ti含量为5.6 wt.%的热处理态合金室温和650℃拉伸伸长率及980℃/185 MPa条件下的持久伸长率下降明显,η相和形成η相的γ/γ′共晶相共同作用是Ti含量为5.6 wt.%的热处理态合金典型力学性能塑性大幅下降的主要原因。综合不同Ti含量DZ409合金微观组织和典型力学性能,选择DZ409合金最佳Ti含量为4.3 wt.%。DZ409合金近服役状态下的微观组织演变规律研究表明:成分优化后的热处理态DZ409合金在50 h、100 h、200 h和300 h进行变截面持久中断实验后,横纵截面微观组织演变规律相同。同一温度下,随着应力的增加,合金横截面γ′相逐渐形成大块状组织且体积分数降低,合金纵截面γ′相筏排组织逐渐完善且筏排厚度逐渐减小。随着温度的升高,合金横截面γ′相形成大块状组织所需的应力逐渐降低,合金纵截面γ′相基本形成筏排组织和形成较为完整的筏排组织所需的应力逐渐降低。