熱等靜壓修復

1、失效分析與預防研究所Institute of Failure Analysis and PreventionK002高溫合金高溫合金蠕變損傷修復技術(shù)蠕變損傷修復技術(shù) 答辯人：董鍵 指導教師：張崢 教授北京航空航天大學2012年碩士學位論文答辯失效分析與預防研究所Institute of Failure Analysis and Prevention主要內(nèi)容研究背景與意義渦輪葉片的服役損傷行為固溶熱處理中組織的變化HIP過程對合金損傷的修復恢復熱處理的探索結(jié)論失效分析與預防研究所Institute of Failure Analysis and Prevention主要內(nèi)容研究研究背景背景與意與

2、意義義渦輪葉片的服役損傷行為固溶熱處理中組織的變化HIP過程對合金損傷的修復恢復熱處理的探索結(jié)論失效分析與預防研究所Institute of Failure Analysis and Prevention航空發(fā)動機用Ni基高溫合金高溫高溫復雜應力復雜應力蠕變損傷蠕變損傷顯微組織退化蠕變空洞形成力學性能下降力學性能下降服役壽命縮短服役壽命縮短碳化物分解碳化物分解 相退化相退化蠕變空洞蠕變空洞TCP相相腐蝕腐蝕損傷損傷點腐蝕高溫腐蝕疲勞疲勞損傷損傷高周疲勞低周疲勞熱機械疲勞熱等靜壓熱等靜壓(HIP)葉片造價葉片造價昂貴昂貴高溫合金服役特性失效分析與預防研究所Institute of Failure

3、 Analysis and PreventionNi基鑄造合金某型航空發(fā)動機II級渦輪葉片熱處理制度：870,16h，空冷服役狀態(tài)：未服役、400h和650hK002高溫合金高溫合金失效分析與預防研究所Institute of Failure Analysis and Prevention主要內(nèi)容研究背景與意義渦輪渦輪葉片葉片的服的服役損役損傷行傷行為為固溶熱處理中組織的變化HIP過程對合金損傷的修復恢復熱處理的探索結(jié)論失效分析與預防研究所Institute of Failure Analysis and Prevention渦輪葉片的服役損傷行為定量分析方法利用圖像分析軟件IPP統(tǒng)計粒子、共

4、晶、鑄造疏松等的面積、周長，計算等效直徑與形狀因子等效直徑4AreaeterFeret Diam形狀因子24PerimeterAreaorShape FactIPP軟件示意圖失效分析與預防研究所Institute of Failure Analysis and Prevention未服役葉片原始態(tài)顯微組織元素AlTiCrNiHfTaWwt%0.5913.311.252.8914.3444.6522.97碳化物能譜結(jié)果MC(1)型碳化物枝晶干區(qū)枝晶干與枝晶間過渡區(qū)合金中的碳化物失效分析與預防研究所Institute of Failure Analysis and Prevention未服役葉片相

5、的尺寸頻率分布服從顯著性水平為0.05的伽馬分布葉片部位等效直徑/nm形狀因子相體積分數(shù)/%葉頂進氣邊495.10.75946.4葉身半高進氣邊531.30.75353.6葉根進氣邊498.90.75251.3葉頂排氣邊491.70.75847.7葉身半高排氣邊541.60.75257.8葉根排氣邊539.70.74951.2正方形的形狀因子為0.79失效分析與預防研究所Institute of Failure Analysis and Prevention鑄造疏松尺寸頻率分布與形狀因子頻率分布具有雙峰函數(shù)特征鑄造疏松尺寸頻率分布鑄造疏松形狀因子分布失效分析與預防研究所Institute of

6、 Failure Analysis and Prevention服役葉片的組織退化 相粗化機制： Ostwald熟化 粒子聚合共晶體積分數(shù)與服役時間呈直線關(guān)系Pearson指數(shù) r = 0.99979元素AlTiCrCoNiHfTaWwt%0.429.782.521.518.8626.6336.7613.51枝晶間區(qū)生成MC(2)型碳化物無M6C型與M23C6型碳化物生成無TCP相生成枝晶干區(qū)枝晶間區(qū)服役后的碳化物失效分析與預防研究所Institute of Failure Analysis and Prevention葉片部位等效直徑/nm形狀因子相體積分數(shù)/%葉頂進氣邊516.20.708

7、48.9葉身半高進氣邊581.30.66647.7葉根進氣邊568.10.68147.9葉頂排氣邊610.30.63948.6葉身半高排氣邊557.60.60554.7葉根排氣邊551.30.65241.6服役400h葉片相的尺寸頻率分布服役400h葉片相形貌特征參數(shù)失效分析與預防研究所Institute of Failure Analysis and Prevention葉片部位等效直徑/nm形狀因子相體積分數(shù)/%葉頂進氣邊535.40.68547.6葉身半高進氣邊642.70.56747.4葉根進氣邊603.40.62748.3葉頂排氣邊620.80.60845.9葉身半高排氣邊699.9

8、0.59651.4葉根排氣邊613.30.63151.3服役650h葉片相的尺寸頻率分布服役650h葉片相形貌特征參數(shù)失效分析與預防研究所Institute of Failure Analysis and Prevention等效直徑形狀因子相體積分數(shù)三種服役狀態(tài)葉片的比較顯微硬度粒子尺寸增大形狀因子下降顯微硬度下降失效分析與預防研究所Institute of Failure Analysis and Prevention根據(jù)LSW理論，相的粗化動力學過程trr0K=-33r0和r分別為相粗化前和粗化后的平均半徑，t為粗化時間，K為與粗化激活能Q有關(guān)的參數(shù)TR9DCV8=Ke2m為基體與相的界

9、面能，Vm為析出相的摩爾體積，Ce為與半徑為的析出相平衡的溶質(zhì)原子濃度，R和T分別為氣體常數(shù)和絕對溫度，D是溶質(zhì)原子在基體中的擴散系數(shù))RTQ- (expD=D0TTR/Q-A=)K(lnln(KT)與1/T存在直線關(guān)系直線關(guān)系，斜率為Q/R葉片服役溫度的估算失效分析與預防研究所Institute of Failure Analysis and PreventionAl在Ni中的體擴散激活能Q=270kJ/mol假設葉身半高進氣邊溫度為1173KTT/32475-6517.38=)Kln(葉片部位K值/(nm3/s)服役溫度/K葉頂進氣邊13.7241119葉身半高進氣邊49.3591173葉

10、根進氣邊40.8191164葉頂排氣邊51.4421174葉身半高排氣邊78.6261194葉根排氣邊31.4031153不同服役狀態(tài)等效直徑均值葉片溫度分布TTR/Q-A=)K(ln葉片服役溫度的估算失效分析與預防研究所Institute of Failure Analysis and Prevention蠕變空洞特征： 尺寸小于鑄造疏松，約為14m 具有較為規(guī)則的幾何外形 形成于第二相（共晶、碳化物）與基體的界面蠕變空洞的形成失效分析與預防研究所Institute of Failure Analysis and Prevention主要內(nèi)容研究背景與意義渦輪葉片的服役損傷行為固溶固溶熱處熱

11、處理中理中組織組織的變的變化化HIP過程對合金損傷的修復恢復熱處理的探索結(jié)論失效分析與預防研究所Institute of Failure Analysis and Prevention固溶熱處理中組織的變化序號溫度/時間/h冷卻方式111101 WQ211301 WQ311501 WQ411701 WQ511901246WQ/AC6121012 WQ712301246WQ/AC812501246WQAC合金的固溶熱處理制度1170119012301250失效分析與預防研究所Institute of Failure Analysis and Prevention一次尺寸與固溶處理溫度的關(guān)系一次體

12、積分數(shù)與固溶溫度的關(guān)系不同冷卻方式的顯微硬度固溶熱處理溫度、時間、冷速的影響失效分析與預防研究所Institute of Failure Analysis and Prevention生成M6C型碳化物元素TiNiHfTaWwt%7.225.7613.0429.5540.20 +CM+MC6共晶組織中生成次生MC(2)型碳化物元素TiCrCoNiHfTaWwt%7.930.741.347.2531.2246.744.76固溶處理中的碳化物失效分析與預防研究所Institute of Failure Analysis and Prevention主要內(nèi)容研究背景與意義渦輪葉片的服役損傷行為固溶熱

13、處理中組織的變化HIP過程過程對合對合金損金損傷的傷的修復修復恢復熱處理的探索結(jié)論失效分析與預防研究所Institute of Failure Analysis and PreventionHIP過程對損傷修復的研究編號溫度/壓力/Mpa時間/h112502004211902004HIP試驗參數(shù)經(jīng)HIP處理后未愈合的鑄造疏松尺寸約為11m葉片宏觀圖失效分析與預防研究所Institute of Failure Analysis and Prevention1190HIP處理后未愈合的蠕變空洞 負的點陣錯配度 N型筏排 空洞向中心生長1190 HIP過程中的同心筏排失效分析與預防研究所Instit

14、ute of Failure Analysis and Prevention不同狀態(tài)下的顯微硬度密度的測試：流體靜力學稱重法1190和1250進行HIP修復后共晶的體積分數(shù)分別為6.16%和3.76%修復效果的評估失效分析與預防研究所Institute of Failure Analysis and Prevention有必要采用HIP后的恢復熱處理HIP處理后的碳化物HIP處理后的晶界失效分析與預防研究所Institute of Failure Analysis and Prevention主要內(nèi)容研究背景與意義渦輪葉片的服役損傷行為固溶熱處理中組織的變化HIP過程對合金損傷的修復恢復恢復熱

15、處熱處理的理的探索探索結(jié)論失效分析與預防研究所Institute of Failure Analysis and Prevention合金恢復熱處理的探索序號固溶方案時效方案11190，4h，AC/WQ870，16h，AC21210，4h，AC/WQ870，16h，AC31230，4h，AC/WQ870，16h，AC41250，4h，AC/WQ870，16h，AC51250，4h，AC920，16h，AC61250，4h，AC970，16h，AC71190，2h，AC870，16h，AC/FC81225，2h，AC1030，8h，F(xiàn)C+870，8h，F(xiàn)C恢復熱處理試驗參數(shù)失效分析與預防研究所I

16、nstitute of Failure Analysis and Prevention恢復熱處理溫度的影響失效分析與預防研究所Institute of Failure Analysis and Prevention方案7和8處理后的組織仍存在的問題之后的研究方向：（1）控制恢復熱處理的冷卻速率（2）晶界連續(xù)薄膜與晶界碳化物的消除顯微硬度失效分析與預防研究所Institute of Failure Analysis and Prevention主要內(nèi)容研究背景與意義渦輪葉片的服役損傷行為固溶熱處理中組織的變化HIP過程對合金損傷的修復恢復熱處理的探索結(jié)論結(jié)論失效分析與預防研究所Institute of Failure Analysis and Prevention 合金在高溫服役中組織發(fā)生退化，粒子粗化長大，它粗化長大的機制主要為Ostwald熟化機制與粒子聚合機制。同時葉片在高溫服役中在第二相與基體界面會萌生蠕變空洞，定量分析了枝晶干區(qū)的粒子在不同服役狀態(tài)下的形貌尺寸特征，對葉片的服役溫度分布進行了估算。 研究了合金不同溫度的固溶特性，溶解實質(zhì)是溶質(zhì)原子的擴散過程，所以溫度的貢獻往往通過熱激活的形式體現(xiàn)。在11701250的溫度范圍內(nèi)選擇熱等靜壓的溫度參數(shù)。結(jié)論失效分析與預防研究所Insti