1.簡(jiǎn)介
鑄造耐熱鎳合金技術(shù)的主要問(wèn)題之一是其形狀成形的能力，以提供所需的鑄造性能。的蠕變強度，耐力下熱結合 - 機械疲勞和鎳基超合金的可塑性，用于航空燃氣渦輪機的特定應用而優(yōu)化可以例如通過(guò)的尺寸，方向和晶粒的均勻性的合適的選擇來(lái)實(shí)現。
在某些熱和機械負載條件下，鎳基高溫合金的蠕變斷裂強度隨晶粒尺寸的增加而增加。然而，在許多情況下，屈服強度和拉伸強度降低。此外，鑄件的細晶粒組織的特征在于具有較高的穩態(tài)蠕變速度[1-4]。
因此，合理地掌握控制這些合金原始結構的形狀的能力，使其適合所生產(chǎn)產(chǎn)品的工作條件即可?？刂畦T造耐熱鎳合金的晶粒尺寸的方法主要包括：通過(guò)引入適當的添加劑，非均相成核劑[5-7]對表面進(jìn)行改性，使凝固合金受到機械因素的影響，并對液態(tài)合金進(jìn)行體積改性。在文獻中，有許多關(guān)于使用精煉方法[8]并用微添加劑改性[9-10]對鎳超合金進(jìn)行微結構精煉的信息。
該研究包括評估在澆鑄模具時(shí)表面和體積的改變以及雙重過(guò)濾對由鎳基高溫合金IN-713C和MAR-247的廢料制成的鑄件在加速蠕變下的穩定性的影響。分析了兩種研究條件下微晶尺寸對高溫蠕變特性的影響。變型I的蠕變特性是在先前對這些合金的研究中獲得的，參數為T = 982°C，σ= 150MPa [1]。變體II包括對參數為T = 760°C的IN713C進(jìn)行合金蠕變測試，σ= 400MPa，合金MAR247，參數T = 982°C，σ= 200MPa。這些研究模擬了在極端條件下觀(guān)察到的渦輪發(fā)動(dòng)機較劇烈部分的破壞過(guò)程?？紤]到材料宏觀(guān)和微觀(guān)結構的立體特征，分析了樣品中裂紋形成和生長(cháng)的條件。實(shí)驗室測試的結果可以初步評估不同技術(shù)對航空用燃氣輪機中特定應用進(jìn)行改性的鎳基高溫合金的適用性。
2.材料和研究方法制備了四組尺寸為（M12，do = 6.0 mm lo = 32mm）的螺紋樣品。用于宏觀(guān)和微觀(guān)結構機械測試的樣品由鑄件制成，其起始批料是鎳基高溫合金IN-713C和MAR-247的廢料，其化學(xué)成分示于表1。
通過(guò)以下四個(gè)鑄造實(shí)驗獲得了鑄件：
1.Cast IN-713C，（藍色，藍色濾鏡的一種形式）
2.Cast IN-713C，（白色，藍色濾鏡的一種形式）
3.Cast MAR-247，（藍色，藍色濾鏡的一種形式）
4.Cast MAR-247，（白色，藍色濾鏡的一種形式）
Leybold–Heraeus在A(yíng)l 2 O3坩堝中熔煉廢品，然后在IS 5 / III型真空感應爐中進(jìn)行鑄造的過(guò)程。實(shí)驗2和4包括僅在體積修改過(guò)程中對材料的宏觀(guān)結構進(jìn)行成形。而實(shí)驗1和3在組合修飾的條件下，即所謂的表面修飾和體積修飾。
表面和體積改性的整個(gè)過(guò)程需要應用所謂的“藍色”形式（具有改性涂層CoAl2O4），并將另外含有鋁酸鈷的過(guò)濾器放置在流道盤(pán)中。該溶液的另一個(gè)結果是合金的雙重過(guò)濾。
蠕變測試是在與飛機發(fā)動(dòng)機渦輪葉片的運行條件相對應的條件下進(jìn)行的。使用了不同的測試參數，包括與用于給定超級合金的WSKRzeszów與技術(shù)報告卡兼容的驗收測試相對應的參數（對于IN713C：T = 982°C，σ= 150MPa，對于Mar247：T = 982°C，σ = 200MPa）。在機器WalterBai AG LFMZ-30kN上進(jìn)行了蠕變測試。使用表中列出的參數進(jìn)行了研究。 1.表1還列出了確定這組合金（圖1）[11、12]的變形機理的參數，即所謂的歸一化應力τN=τ/ G和同源溫度TH = T / Ttop。設計蠕變測試參數（表1）以獲取有關(guān)晶粒尺寸對材料蠕變特性影響的信息。根據航空渦輪發(fā)動(dòng)機中的應用，該領(lǐng)域的知識將允許以合理的方式在鑄造過(guò)程中塑造鑄件的宏觀(guān)結構。重要決定鑄件宏觀(guān)組織特征的本質(zhì)主要是其熱機械載荷的條件。
對變形機理圖的分析表明，取決于測試條件（溫度和應力），超級合金蠕變過(guò)程中的塑性變形可能是由于擴散或位錯蠕變而發(fā)生的。根據R. L. Coble和Nabarro-Herring模型，在擴散蠕變條件下，穩態(tài)蠕變速率顯著(zhù)取決于晶粒尺寸，分別用關(guān)系（1）和（2）進(jìn)行描述[12-14]：
其中：B，C –材料常數，σ–應力，Dgz –跨晶界擴散系數，b – Burgers矢量，k –玻爾茲曼常數，T –絕對溫度，d –晶粒直徑，Ω–原子量，d –有效厚度，Dv –晶格擴散系數雖然在位錯蠕變機制的情況下，它由關(guān)系式（3）描述，但與晶粒尺寸無(wú)關(guān)：
其中：A，n –材料常數τ–剪切應力，Def擴散系數，G –剪切模量b – Burgers矢量，k –玻爾茲曼常數，T –絕對溫度，d –晶粒直徑。
同時(shí)應注意的是，在蠕變試驗條件下，由于位錯蠕變導致材料變形，體積擴散（Nabarro-Hering模型）和跨晶界（Coble'模型）可能會(huì )同時(shí)發(fā)生，強度。這些過(guò)程中每個(gè)過(guò)程對變形的貢獻取決于溫度，應力，晶粒尺寸及其邊界結構[12-13]。
3，調查結果和結果討論
表中列出了在蠕變試驗的變型II條件下研究的所選鑄件結構的圖像。 3.在Marble試劑中腌制用于顯微鏡觀(guān)察的制劑。表4和表5列出了測試樣品宏觀(guān)和微觀(guān)結構的選定形態(tài)參數。使用MetIlo程序評估了宏觀(guān)結構的基本參數。在蠕變測試后，對樣品的橫截面（d0 = 6mm）進(jìn)行測試。
金相研究表明，僅體積改變的作用是在高溫合金中形成粗晶粒結構，同時(shí)進(jìn)行體積和表面修飾導致形成細晶粒結構（表4和5）。從增強被測合金的強度和蠕變條件下的可持續性的觀(guān)點(diǎn)出發(fā)，對碳化物相析出的研究非常重要，表明其在超級合金MAR-247中具有更高的表面AA（表4和表5）。初級碳化物主要以“漢字”的形式出現在晶界區域[2]。
標簽。圖4和表5總結了與蠕變特性相關(guān)的被檢查高溫合金的宏觀(guān)結構立體參數，例如樣品破裂時(shí)間tz，穩定蠕變速度Vu。這些值對于定義決定材料在高溫蠕變下的穩定性的因素非常重要。
圖2和圖3顯示了根據研究I型進(jìn)行的蠕變試驗基礎上開(kāi)發(fā)的高溫合金IN713C和MAR-247的蠕變特征。
對于超級合金，IN-713C的穩定性將主要取決于大晶粒的尺寸，對于具有粗晶粒結構的樣品，其穩定性將達到t = 50小時(shí)，而對于具有粉碎晶粒的樣品，其體積達到28小時(shí)（t = 50小時(shí)）和表面改性（表4）。同樣，在合金MAR-247的高溫蠕變中，大晶粒的尺寸從根本上影響樣品的破裂時(shí)間。具有粗粒結構的樣品的穩定性比粉碎的谷物樣品高20％以上。
從表4中出的數據可以清楚地看出，所測試材料的穩定性還強烈取決于其微觀(guān)結構中公開(kāi)的AA碳化物的面積。新參數AA / N（碳化物的表面積指的是樣品表中的晶粒數，表6）很好地說(shuō)明了這種效果。無(wú)論該蠕變試驗中此參數的增加如何，經(jīng)測試的高溫合金tz都較高，而穩定蠕變速度Vu則達到較低的值（表4）。
研究和分析的結果表明，在完成的測試中，跨晶界的擴散蠕變決定了穩態(tài)蠕變速度Vu和超級合金的穩定性（表4）。我們可以假設，在I測試變量的給定情況下（t = 980°C，σ= 150MPa），擴散蠕變下的穩定性（樣品破裂時(shí)間）決定了跨晶界的滑移。它調節了裂紋的形成和擴展過(guò)程。在這種情況下，決定高溫合金穩定性的因素是碳化物的表面積與樣品橫截面上的晶粒數量之比（AA / N）。該表達式的值越高，表示材料在蠕變測試中的穩定性越高。
對與蠕變試驗變型II對應的參數所獲得的試驗結果進(jìn)行的分析（圖4、5，表5）表明，通過(guò)增加軸向應力σ（導致歸一化應力τ/ G增大）。 ）在超級合金IN-173C和MAR-247的情況下，都沒(méi)有觀(guān)察到大顆粒尺寸對信條穩定性的影響（圖4和5）。蠕變耐久性的差異只有幾個(gè)小時(shí)。這表明，在這些蠕變測試條件下，材料變形過(guò)程主要是在位錯機制下發(fā)生的，而不是如先前在Nabarro-Herring矩陣擴散機制（體積）下觀(guān)察到的（圖2、3）并通過(guò)Coble跨越晶界（這導致具有粗粒結構的材料的穩定性提高了）。圖6很好地說(shuō)明了蠕變測試參數對由于軸向應力σ增大而引起的材料變形（變形）機制變化的影響。
4。結論
總而言之，可以得出結論，在根據I變體進(jìn)行的蠕變測試的條件下，決定晶粒大的超級合金（圖3、4）的穩定性增加的關(guān)鍵因素是通過(guò)晶粒尺寸的增加而達到的。破壞晶界的作用。在高溫下，由于滑移和爬升，晶界吸收了移動(dòng)的位錯，這導致了應變硬化的減少和材料的弱化。類(lèi)似地，由于所謂的高溫下越過(guò)晶界的滑移，晶界的減弱作用與材料的變形有關(guān)。效果是，晶?？梢员舜讼鄬瑒?dòng)，而不會(huì )在晶粒內部產(chǎn)生明顯的變形。這些過(guò)程在這些測試條件下的結果是，觀(guān)察到細顆粒材料的穩定性降低和變形率更高（圖3、4）。
而在歸一化應力τN=τ/ G值增加的情況下，在蠕變試驗的II型條件下，從根本上限制了高溫合金的變形和穩定性的因素（圖5、6）晶粒尺寸（可以從變形圖的分析中得出）。在這種熱和機械載荷下，材料的變形過(guò)程會(huì )在材料的整個(gè)體積中發(fā)生，這主要是由于位錯機制（由于爬升和位錯滑移造成的）。在這種情況下，晶界的作用是次要的。蠕變測試的結果證實(shí)了這一點(diǎn)，蠕變測試表明，大顆粒和小顆粒都具有相當的穩定性（圖5、6）。
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