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摘要镍基高温合金具有优良的高温综合性能，其中又以镍基单晶高温合金最为突出，是目前制造先进航空发动机涡轮叶片的主要材料。本实验目的就是找到镍基单晶高温合金的制备过程中不同的工艺方法对选晶行为的影响，了解不同条件下晶粒的生长规律以及镍基高温合金的组织转变过程，通过金相组织观察研究缩颈选晶的规律与特点，并为以后长成良好的单晶或籽晶提供经验依据。
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关键词 镍基高温合金 缩颈选晶 区域悬浮熔炼 金相组织9040
毕业设计说明书（论文）英文摘要
Title Grain selection behavior in the preparation of nickel-based superalloy
Abstract: Ni-based superalloy has excellent high-temperature comprehensive performance. Among the superalloys, Ni-based single crystal superalloy is the most prominent due to the superior performance, therefore becomes the main material for the advanced aero engine turbine blades. The objective of this study is to find the effect of different methods of preparation of Ni-based single crystal superalloy on the grain selection behavior and understand the mechanism of crystal growth, as well as the organizational transformation process of these methods. Through observing the microstructure, we find the law and characteristic of necking grain selection behavior, and empirical evidence can be provided for the growth of single-crystal seeds.
Keywords: Nickel based superalloy; Grain selection behavior; Zone melting; Metallographic structure
目 录
1 绪论 1
1.1 镍基高温合金的发展状况 1
1.2 镍基单晶合金发展概述 3
1.3 镍基单晶合金的组织与强化机制 7
1.3.1 镍基单晶合金的相组成 7
1.3.2 镍基单晶合金的强化机制 9
1.4 研究目的、意义和内容 10
2 实验材料与方法 10
2.1 原材料的选择与母材的制备 10
2.2 实验仪器及所需药品 12
2.3 单晶高温合金制备 12
3 实验结果与分析 13
3.1 组织观察与分析 13
4 实验结论 22
致 谢 23
参考文献 24
1 绪论
1.1 镍基高温合金的发展状况
镍在自然界中是一种丰富的元素，世界上开采的镍矿物有硫化矿（镍黄铁等）和氧化矿（含水镍煤硅酸盐等）。镍能耐氟、碱、盐和许多有机物质的腐蚀。镍的熔点较高，可达1455℃，沸点可达2915℃，它的居里点温度为351.6℃。在低温时有良好的强度和延展性，常温下在潮湿的空气中表面可形成致密的氧化膜，阻止继续氧化。镍元素具有独特的原子结构和稳定的晶体结构，室温直至熔点的温度范围始终保持 FCC结构。同时，镍对于许多元素具有较强的溶解能力，可以进行充分的合金化，因此镍具有作为高温合金基体元素的优越内在属性。更加幸运的是镍基高温合金经高温固溶及时效处理后，其组织结构的特点是在面心立方γ基体相中弥散析出 L12型有序结构的Ni3(Ti,Al)—γ′相，γ′相也为面心立方结构，但与γ相存在点阵常数的差异，正是由于点阵错配度的差异而导致应变强化[1,2]。γ′相与γ基体保持共格关系，并可通过改进合金成分来调整γ′相的体积分数，及γ′/γ两相界面的晶格错配度，以达到提高合金高温强度的目的，采用一系列新兴的加工技术，如：定向凝固、单晶技术、粉末冶金、机械合金化、热静等压等工艺也可较大幅度提高合金的力学性能。早在 60 年代，国内外就开始对高温合金中的金属间化合物Ni3Al—γ′相进行了广泛的研究，并认为γ和γ′两相合金具有良好的发展前景。为了使这类材料进入工程化应用，研究人员在成分设计及工艺改进方面做了很多工作。北京航空材料研究院采用传统的定向凝固技术，研究了铸造Ni3Al 基的IC6 合金，该合金在1100℃下的持久强度超过了同类合金EX 7（美）和BKHA 4Y（俄）的水平，其1100℃/100h 的持久强度达到了90MPa，室温拉伸强度达到了1200MPa，伸长率达14%，现已用于小批量生产某航空发动机Ⅱ级导向叶片，这标志着我国在金属间化合物的研究取得了重要进展。美国GE公司早在80年代就研制出NiAl基单晶叶片，并进行了试车，但因该类合金的室温本质脆性以及高温蠕变强度低等问题未得解决，而无法实现工程化应用。70年代中期，美国 Howmet公司发展了高温合金细晶铸造法，从而在合金凝固过程的晶粒控制方面又走出了新路子。最先发展的是控制热参数的Grain X法，然后又发展出机械搅拌的Microcast X法，所得到的铸件晶粒尺寸可达ASTM No.35(0.125～0.0625mm)。之后进行热等静压（HIP）及合适的热处理，使合金的中、低温拉伸、持久、疲劳性能大为改善，尤其是低周疲劳强度明显提高。例如，按Microcast X法铸造的718合金，承温能力比普通铸造718合金高约30℃，600℃的低周疲劳性能提高两倍以上，其屈服强度大致与变形718 合金相当。目前生产的细晶铸件有几十种，除了航空发动机的叶片和整体转子外，还有航空、航天发动机的机匣等大型铸件，最大直径为1500mm，已经部分取代了铸件和锻件组合的焊接件。北京航空材料研究院于80年代末设计和建立了我国第一台细晶铸造炉，开展了热控法和搅拌法细晶铸造工艺研究，并成功地制备出K418合金的低压涡轮叶片和整体涡轮转子等零件。此外，冶金部钢铁研究总院和西北工业大学等单位也分别进行了细晶铸造方面的研究，工作取得了重要进展。