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基于团簇加连接原子模型的镍基高温合金成分设计

于晶晶

  镍基高温合金由于其良好的高温强度和抗氧化腐蚀性能、优异的抗蠕变、抗疲劳性能以及断裂韧性、很高的合金化水平和良好的稳定性在航空、航天、能源、交通运输和化工等各个工业领域得到广泛应用。因此高性能镍基高温合金的开发对增强一个国家的国防实力和工业水平具有重要意义。 镍基高温合金化元素最多有十几种,成分设计十分复杂。本工作利用本课题组在长期的非晶及准晶成分设计过程中提出的“团簇加连接原子”结构模型对镍基高温合金成分进行解析,并从Ni-Cr二元相图出发提出了镍基高温合金成分设计的基础团簇成分式[Cr-Ni12]Cr3,其中Cr-Ni12为镍基FCC固溶体中存在的第一近邻的CN12团簇,3个Cr原子充当连接原子,满足团簇与连接原子比为1:3的团簇结构模型。在[Cr-Ni12]Cr3基础上添加合金化组元Al.Fe.Co.Mo.Ti.Nb等进行成分设计,根据组元间混合焓大小确定组元在团簇结构模型中的占位,设计了一系列成分通式为[(Al\Ti\Nb)-(Ni\Fe\Co)12](Cr\Mo\Al)3的镍基合金成分。 本研究用铜模吸铸法制备所设计合金的棒状样品,并进行固溶处理;利用OM. XRD.TEM分析合金的微结构和组织,并利用维氏硬度计、万能拉伸试验机、电化学工作站等测试合金的力学性能和耐腐蚀性能。所获主要结果如下: 1)揭示了γ 相形成元素的添加对丫 相析出的影响:Ni-Cr二元合金均为单相FCC结构;当一个A1原子替代心部的Cr原子时,γ基体中均有极其细小的Y 相(Ni3A1)析出,[Al-Ni12]Cr3为γ 析出的临界成分;若Al.Ti.Nb等比例占据心部原子位置时,则这种细小的γ 相长大到nm量级;添加多量的A1时,A1占据心部和连接原子位置的[Al-(Ni10Fe2)](Cr2Al)合金中则观察到更明显的γ 相析出,粒子尺寸达到30~60nm。 2)合金的力学性能不仅取决于基本的固溶强化,还与第二相γ 粒子的尺寸及其所占体积分数密切相关:合金[(Al1/3Ti1/3Nb1/3)-(Ni10Fe2)]Cr3和[Al/(Ni10Fe2)](Cr2Al)的硬度比Ni-Cr二元显著提高,Hy~2.8GPa,比同条件下的参比In718合金硬度更高(Hv~1.82GPa)。且[(Al1/3Ti1/3Nb1/3)-(Ni10Fe2)]Cr3表现出良好的室温拉伸强度和塑性,在测试合金中强度最高,其力学性能指标为σ0.2=533.7MPa,σb=783.5MPa,ψ=41.5%,ε=21.6%. 3)系列合金中[Al-(Ni10Fe2)]Cr3和[Al-(Ni9Fe2Co)]Cr3在3.5wt.%NaCl溶液中具有最佳的耐蚀性能,其自腐蚀电压Ecorr分别为-0.283V和-0.273V,自腐蚀电流密度Icorr约为0.44μA.cm-2。在900℃的饱和盐溶液(25%NaCl+75%Na2SO4)涂盐热腐蚀试验中,[(Al1/3Ti1/3Nb1/3)-(Ni10Fe2)]Cr3合金表现出较高的热腐蚀抗力,其热腐蚀速度为△M=0.406g·cm-3h-1,与相同条件下制备的In718参比合金的热腐蚀速度相当。……   
[关键词]:镍基高温合金;团簇加连接原子结构模型;γ'相析出;力学性能;热腐蚀
[文献类型]:硕士论文
[文献出处]:大连理工大学2012年
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