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關(guān)于鎳基高溫合金，我們都在研究什么？

2019-03-01 16:02:09 作者：本網(wǎng)整理來源：鑄造雜志分享至：

鎳基高溫合金

鎳基高溫合金是指可在650-1,200℃范圍內(nèi)使用，以鎳為基體的奧氏體型合金，約有40%的高溫合金為鎳基合金。按照工藝，可將其分為變形、鑄造（定向、單晶、共晶）、彌散強化、粉末合金四類。其中鑄造鎳基高溫合金廣泛用于制造燃氣渦輪發(fā)動機導(dǎo)向葉片、渦輪轉(zhuǎn)子葉片以及航天、能源、石油化工等領(lǐng)域的高溫構(gòu)件。

采用傳統(tǒng)的高速凝固法（HRS）制備單晶葉片，隨著凝固界面的推進，通過熱傳導(dǎo)和熱輻射所引起的散熱，導(dǎo)致凝固界面前端的溫度梯度急劇下降。此外，單晶工業(yè)燃氣輪機葉片的尺寸和重量通常是航空發(fā)動機葉片的數(shù)倍，這使得鑄件缺陷的預(yù)防更加復(fù)雜。

改善溫度梯度是減少或消除鑄件缺陷的有效途徑。液態(tài)金屬冷卻（LMC）技術(shù)作為一種強大的定向凝固（DS）技術(shù)，有望用于制造單晶（SC）渦輪葉片。大量研究證明，采用LMC工藝制備大尺寸工業(yè)燃氣輪機單晶葉片，具有較高溫度梯度，較細的枝晶，較少的凝固缺陷，降低凝固偏析和提高力學(xué)性能等優(yōu)點。因此，在過去的幾十年中， LMC工藝在鎳基單晶高溫合金制備中的應(yīng)用日益得到關(guān)注。

高速凝固法（HRS）和液態(tài)金屬冷卻法（LMC）對比

北京航空材料研究院（BIAM）研制出了適用于高溫結(jié)構(gòu)材料的第一代耐高溫腐蝕鎳基單晶高溫合金DD488。為了研究不同的凝固工藝對DD488合金的微觀組織和持久性能的影響，研究人員通過高速凝固法和液態(tài)金屬冷卻法制備DD488合金，并對兩種工藝所制備的合金的微觀組織和持久性能進行了對比研究。研究結(jié)果表明，采用液態(tài)金屬冷卻法制備的DD488合金的一次枝晶間距（236.8μm）小于高速凝固法制備的DD488合金（323.9μm），熱處理后的合金中γ‘相的體積分?jǐn)?shù)高于高速凝固法制備的合金，且持久性能（110.0 h）高于高速凝固法制備的合金（76.8 h）。論文下載見末[1]。

液態(tài)金屬冷卻法（LMC）工藝參數(shù)探索

沈陽鑄造研究所有限公司的研究團隊采用DZ466高溫合金利用液態(tài)金屬冷卻（LMC）技術(shù)制備重型燃氣輪機大型葉片，研究了陶瓷殼強度和一些重要的工藝參數(shù)，如保溫溫度、保溫時間和抽拉速度等對葉片成型的影響。研究結(jié)果表明，中等強度陶瓷型殼（高溫抗彎強度為 8 MPa，熱沖擊后抗彎強度為 12 MPa，殘余抗彎強度為20 MPa）可以防止葉片的斷裂和跑火。適當(dāng)?shù)募訜釥t溫度（上區(qū)1,520 ℃，下區(qū)1,500 ℃）可以消除寬角度晶界、晶粒偏斜和殼裂紋引起的跑火。澆注后的保溫時間（3-5 min）可以促進晶粒的競爭生長，避免柱狀晶粒沿晶粒方向<001>發(fā)生較大偏離，晶粒結(jié)構(gòu)平直，分布均勻。此外，為了避免流紋的形成并保證葉片表面的光滑，需要保證抽拉率不大于晶粒的生長速度。研究還發(fā)現(xiàn)，葉片微觀組織的枝晶間距隨著凝固速度的增加而減小，隨著凝固位置與激冷盤距離的增加而增大。論文下載見末[2]。

長期時效過程中的界面位錯網(wǎng)演變

沈陽工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院的研究團隊在1,100℃下，通過FE-SEM對鎳基單晶高溫合金DD5長期熱時效過程中的界面位錯網(wǎng)的演變進行了研究，研究結(jié)果表明：在時效的早期階段，錯配位錯形成，然后在（001）界面發(fā)生取向重排，矢量方向從< 110 >變?yōu)?lt; 100 >方向。位錯反應(yīng)會形成不同類型的方形或矩形位錯網(wǎng)。隨著熱時效時間的延長，四組位錯組成的方形位錯網(wǎng)可以轉(zhuǎn)化為八角形位錯網(wǎng)，再通過位錯反應(yīng)形成其他方形位錯網(wǎng)。由四組位錯組成的矩形位錯網(wǎng)可以轉(zhuǎn)化為六邊形位錯網(wǎng)。界面位錯網(wǎng)促進γ’相的形筏過程。位錯網(wǎng)間距越來越小，導(dǎo)致晶格錯配度從-0.10%增加到-0.32%。論文下載見末[3]。