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本文通过对经典理论中沉淀相在析出过程的热力学驱动力、长大方式、界面结构及回溶过程的界面位置变化规律进行系统讨论分析,采用热力学和动力学计算方法,对平衡相含量、活度系数、扩散系数及溶质元素溶度积进行计算分析,并进一步经过对温度和时间进行离散化处理,得到不同热处理条件下多元复杂体系中沉淀相在析出过程驱动力、互扩散系数和析出阻力及在回溶过程界面溶质浓度的动态计算方法,从而建立了镍基合金中沉淀相演化规律的经典动态模型,进而实现了沉淀相在析出及回溶过程的数量、尺寸及体积分数的定量描述。
为了验证该模型的正确性,实验研究了镍基高温合金GH864中γ,相在不同类型热处理条件(如等温时效、二次时效及连续冷却)下的析出规律、镍基耐蚀合金690中M23C6型碳化物在等温时效中的析出规律、GH4169中δ相的回溶规律,并对比分析了沉淀相尺寸及体积分数的测量结果与经典动态模型的计算结果,结果表明模拟计算值与实验测量值基本吻合,说明本文所建立的经典动态模型可以用来描述镍基合金中沉淀相的演化规律。
在建立热处理制度与沉淀相均匀形核析出规律的基础上,分析了γ相在不同冷速下发生不稳定长大(或分裂)的临界条件,即沉淀相稳定长大(不分裂)的临界冷却速度应该大于30℃/s。基于γ相的强化机制,建立了镍基高温合金中沉淀相弥散强化对强度增加值的计算模型,且模拟预测的强度增加值变化趋势与实验得到的硬度变化趋势相一致。根据经典动态模型所建立的沉淀相析出规律,结合沉淀相强化机制可以预测不同热处理条件下合金的力学性能变化趋势,从而为以γ相为主要强化相的镍基高温合金的研制及热处理制度的制定提供理论设计原则。
建立了镍基合金晶界状态、晶界上碳化物析出特征、晶界附件元素分布特征三者间的动态互作用定量模型,并对引起三者中任何一种影响因素而导致的互作用影响规律进行了讨论分析。进一步获得了镍基耐蚀合金690中M23C6型碳化物的动态析出规律,分析了随碳化物析出,晶界附近Cr浓度分布的演化过程。进而对晶界数量(晶粒度大小)和合金成分变化导致的互作用规律进行了定量分析讨论,获得了晶粒度和合金成分对碳化物沿晶界的析出过程、化物沿晶界的分布形式(通过碳化物不连续系数来表述)及晶界附近Cr浓度分布的动态关系,给出三者间的优化控制规律。结果表明晶粒尺寸应该控制在一定范围之内(如30~63.5μm)才有利于合金在较短时间等温时效过程中碳化物沿晶界呈连续分布且晶界附近的Cr浓度又具有较高值。同时C含量应该保持在0.02wt%左右,在合金成分要求范围内Cr含量应该越高越好,而Fe含量变化无需精确控制。
利用经典动态模型模拟计算了GH4169在不同温度进行回溶时的δ相的回溶规律,在模拟结果与试验结果相一致的前提下,模拟计算了δ相在不同热处理条件下的溶解量及在不同温度下的充分溶解时间。同理通过模拟计算GH864中γ相及耐蚀合金690中M23C6型碳化物在不同热处理条件下的溶解量及在不同温度下的充分溶解时间,可以为镍基合金固溶热处理制度及热加工工艺的制定与优化提供理论研究基础。
本文所建立的经典动态模型,不仅可以为镍基合金微观组织设计或者热处理制度的制定及优化提供理论依据,而且可以为其它类型的合金体系沉淀相的析出及回溶等过程的研究提供借鉴作用和研究方法。