鈷基高溫合金碳化物演變及相關(guān)性能研究.pdf

1、鈷基高溫合金因其具有較高的熔化溫度、優(yōu)異的抗熱疲勞以及抗熱腐蝕性能，廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)中導(dǎo)向葉片材料。熱疲勞是導(dǎo)向葉片最主要的失效形式之一。熱疲勞裂紋主要萌生于碳化物和晶界處，并且會沿著碳化物和晶界擴(kuò)展。為了提高合金的熱疲勞性能，需要探索改善碳化物和晶界形態(tài)的途徑。熱處理是影響碳化物類型、形貌、尺寸以及分布的重要手段。本文重點(diǎn)研究了熱處理條件下DD640M和DD6509兩種鈷基高溫合金碳化物組織演變規(guī)律及其對熱疲勞行為的影響，并關(guān)注了

2、相應(yīng)條件下合金持久性能的變化規(guī)律。另外，為避免晶界對碳化物演變產(chǎn)生影響，合金應(yīng)用單晶凝固技術(shù)制備。同時，晶界的消除也有利于合金熱疲勞性能的提高。本研究為鈷基高溫合金的發(fā)展和應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。
　　DD640M合金的鑄態(tài)組織為粗大的富Cr網(wǎng)狀M7C3和富Ta、Zr的骨架狀MC的兩種共晶碳化物。在1140～1260℃/4h熱處理過程中，隨著溫度升高初生碳化物的數(shù)量和尺寸逐漸減小。另外，熱處理過程中發(fā)生了M7C3→M23C6反應(yīng)以及MC

3、碳化物的蛻化。本研究中首次揭示M7C3碳化物以原位方式向M23C6碳化物發(fā)生轉(zhuǎn)變。M23C6碳化物在M7C3碳化物和基體界面處形核并朝著M7C3碳化物長大。初生MC碳化物在熱處理過程中發(fā)生蛻化釋放大量的W和Ti，溫度較低時分解形成M6C碳化物，溫度較高時則僅以固溶形式發(fā)生蛻化。
　　DD6509合金的鑄態(tài)組織為粗大的富Ta骨架狀MC和富Cr不規(guī)則塊狀M23C6兩種共晶碳化物。在1260～1330℃/4h熱處理過程中，初生碳化物逐漸

4、發(fā)生溶解。初生M23C6碳化物在1300℃/4h熱處理時完全溶解到基體中，另外，高溫下部分骨架狀MC碳化物分解成顆粒狀。
　　固溶處理促進(jìn)DD640M和DD6509合金在1000～1200℃時效條件下析出更均勻更細(xì)小的二次碳化物。DD640M合金基體中只析出二次M23C6碳化物;DD6509合金中析出二次MC和M23C6碳化物，其中二次MC碳化物分布在基體中而二次M23C6碳化物分布在碳化物周圍。
　　DD640M合金初生M

5、7C3共晶碳化物在1280℃發(fā)生熔化，重凝組織為片層更細(xì)的M23C6共晶碳化物。M7C3共晶碳化物的熔化過程為M7C3碳化物先轉(zhuǎn)變成M23C6碳化物再發(fā)生熔化。初生MC共晶碳化物在1320℃發(fā)生熔化，重凝后形成骨架更細(xì)的MC共晶碳化物。DD6509合金中初生M23C6共晶碳化物熔化發(fā)生在1335℃以及MC共晶碳化物熔化發(fā)生在1340℃。本研究首次關(guān)注了鈷基高溫合金中初生共晶碳化物的熔化現(xiàn)象，為優(yōu)化鈷基高溫合金的化學(xué)成分以及微觀組織提供借

6、鑒。
　　采用合適的熱處理方法可有效改善DD640M和DD6509合金的熱疲勞性能。其中，DD640M和DD6509合金分別在1260℃/24h和1330℃/24h+1100℃/100h熱處理后熱疲勞性能提高最為明顯。熱處理使得合金中碳化物更加彌散和細(xì)化，減緩熱疲勞裂紋萌生與擴(kuò)展，從而提高合金熱疲勞性能。DD640M和DD6509合金高溫固溶處理后持久壽命均有提高，其緣于熱處理后獲得良好的組織穩(wěn)定性、細(xì)小MC碳化物以及過飽和固溶體

7、。DD640M合金鑄態(tài)樣品在高溫持久過程中發(fā)生了M7C3→M23C6，M23C6→M6C和MC→M23C6轉(zhuǎn)變。熱處理使得鈷基高溫合金熱疲勞性能和持久性能均得到顯著提高，這改變了熱處理對鈷基高溫合金性能影響有限的認(rèn)識，鈷基高溫合金熱處理應(yīng)該得到應(yīng)有的重視。
　　兩種合金的成分差異影響合金碳化物組織的組成和穩(wěn)定性。DD6509合金的熱疲勞性能和高溫持久性能均優(yōu)于DD640M合金，歸因于DD6509合金更加穩(wěn)定的碳化物組織、較高的碳化