【摘 要】
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镍基粉末高温合金因其优异的综合力学性能、耐腐蚀和抗高温氧化性能,是高性能航空发动机涡轮盘件的首选材料。而获得高品质粉末是合金和盘件的基础与保障。本文以提高镍基高温合金粉末品质为出发点,围绕原始粉末-粉末存储-粉末脱气-固结成形的流程,在明确粉末表面状态在存储过程中的演变规律与粉末动态脱气行为的基础上,研究粉末存储状态和真空脱气对合金组织与性能的影响机制,并从粉末高温氧化角度阐明原始颗粒边界(PPB
【基金项目】
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装发预研重点实验室基金“存储条件和脱气行为对粉末高温合金的影响”(6142903200303); 国家自然科学基金面上项目“高合金化高温合金粉末快速熔凝过程微裂纹形成与控制的成分因素研究”(52071310); 国家科技重大专项“XX超极微细柱晶高温合金XX增材制造技术基础研究”(Y2019-Ⅶ-0010-0151);
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镍基粉末高温合金因其优异的综合力学性能、耐腐蚀和抗高温氧化性能,是高性能航空发动机涡轮盘件的首选材料。而获得高品质粉末是合金和盘件的基础与保障。本文以提高镍基高温合金粉末品质为出发点,围绕原始粉末-粉末存储-粉末脱气-固结成形的流程,在明确粉末表面状态在存储过程中的演变规律与粉末动态脱气行为的基础上,研究粉末存储状态和真空脱气对合金组织与性能的影响机制,并从粉末高温氧化角度阐明原始颗粒边界(PPBs)缺陷的形成机理,全方位揭示镍基高温合金粉末的氧化行为及其对合金组织与性能的影响,探索了粉末低成本存储和后处理的技术途径,为获得高性能镍基粉末高温合金涡轮盘件提供理论依据和数据支撑。所得主要结果如下:镍基高温合金粉末被厚度均匀的NiO/Ni(OH)2层覆盖,NiO/Ni(OH)2层厚度随活泼金属元素(Al+Ti)含量的增加(IN625-IN718-FGH96)和粒度的减小((106-150μm)-(48-106μm)-(<48μm))而降低。受局部氧气分压和表面钝化行为所影响,相对干燥环境(真空、高纯Ar、空气和高纯O2)存储粉末的NiO/Ni(OH)2层厚度和氧含量在短时间内(7-15天)从(~3.8nm,~120ppm)的初始值增加到(~10nm,~200ppm)的稳定值。其中,高纯O2环境存储粉末的氧含量增幅最大(最高值为213ppm),真空环境存储粉末的氧含量增幅最小,增幅差距为25ppm。绝对湿度增加,使90℃/95%RH环境存储粉末的NiO/Ni(OH)2层厚度和氧含量在更短时间存储(3天)后达到(~13.9nm,~450ppm)的稳定值。存储时间和环境湿度是影响粉末存储状态的关键因素。对不同存储状态粉末进行热等静压(HIP)固结后,由于压缩变形过程中小角度晶界(LAGBs)比例增加与平均取向差角度减小,高氧含量HIP态制件具有更高的热变形激活能和更窄的热加工工艺窗口,降低了热加工性能。此外,更高的氧含量促进HIP态制件中形成PPBs缺陷,限制晶粒长大,使晶界强化强度σHP增加;而由于断裂方式从塑性的穿晶断裂转变为脆性的颗粒间断裂,塑性显著降低。上述研究不仅优化了合金的热加工工艺参数,同时为获得强度和塑性结合良好的镍基粉末高温合金提供了理论依据。利用粉末在温度场下动态解吸的原理,将原位TPD-MS应用于镍基高温合金粉末动态脱气行为的研究。结果表明,镍基高温合金粉末表面气体脱附行为主要发生在100℃~650℃温度区间,其中300℃~550℃为脱附峰值区间。受表面氧化层对分子扩散的阻碍作用所影响,表面NiO/Ni(OH)2层厚度增加,气体脱附量明显降低。以粉末脱气行为为基础,研究了不同真空脱气参数对合金组织与性能的影响。结果表明,真空脱气处理按照25℃-300℃-600℃-300℃+600℃的规律逐渐降低合金的氧含量(最低为~113ppm)和PPBs缺陷的严重程度(最优为1级);同时按上述温度变化规律在不降低合金屈服强度的前提下,显著提高了热加工性能与塑性。对经300℃+600℃真空脱气处理后合金的拉伸和持久变形机制进行研究表明,更高密度的层错和更厚的微孪晶促使合金塑性显著提升,而相互交割的层错和微孪晶使合金的屈服强度没有降低。经300℃+600℃真空脱气处理后的(HIP+HT)态FGH96粉末高温合金,具有优异的拉伸、持久和低周疲劳性能,为进一步发展高性能的镍基粉末高温合金提供了支撑。通过模拟粉末在HIP固结阶段的氧化过程,从粉末高温氧化角度揭示PPBs缺陷的形成机理,推导出形成PPBs缺陷的反应过程。结果表明,HIP态FGH96的PPBs缺陷由大尺寸γ’相、(Ti,Nb)C、A12O3和ZrO2组成,其中粉末表面预先存在的高键能氧化物/氧化物界面为MC型碳化物形核提供了结构条件。通过上述研究,阐明了粉末与块体合金之间的内在关系,为控制PPBs缺陷的形成和提高镍基粉末高温合金的综合力学性能提供了理论依据。
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