1、第一章 绪论1.1 引言引言 GH4169高温合金是一种已在航空航天、动力、发电、石油、化工以及舰船等领域中广泛应用的结构性材料。GH4169高温合金在-253700温度范围内具有良好的综合性能，650以下的屈服强度变形高温合金的首位。该变形镍基高温合金有良好的抗疲劳、抗腐蚀、抗辐射、抗氧化性能以及良好的加工性能、焊接性能和长期组织稳定性，能够制造各种形状复杂的零部件，基于它的这些性能，它可以用于制造航空发动机的重要转动部件，例如压气机盘、封严盘、涡轮盘和涡轮轴等。 该合金的另一特点是合金组织对热加工工艺特别敏感，掌握合金中相析出和溶解规律及组织与工艺、性能间的相互关系，可针对不同的使用要求制
2、定合理、可行的工艺规程，就能获得可满足不同强度级别和使用要求的各种零件。1.2 GH4169的成分与组织的成分与组织 1.2.1合金的成分合金的成分 GH4169高温合金的组织性能差异主要表现在s、nb、c、o、n和痕量元素的掌控上面，控制以上元素在给定区域内，可以降低这些元素的含量从而将普通GH4169高温合金转变为优质的GH4169高温合金。降低碳含量，优质GH4169高温合金能降低合金脆性，提高抗疲劳性和合金强度；降低硫含量，可以提高持久性能和塑性；降低痕量元素，可以使合金材料的使用寿命延长;增加铌，合金的强度提高。1.2.2 GH4169的显微组织与相的显微组织与相 经过固溶退火处理+
3、时效处理的GH4169合金的微观组织主要由奥氏体基体基体、弥散分布的强化相（ 相 、“ 相）、 相以及分布少量的NbC 、TiN等。基本微观组织如图11。1)基体 基体为面心立方结构,主要元素(Ni的含量达到53时，屈服强度可以得到最高)。能够溶入大量的Co、Mo、Cr等合金元素，晶格点阵常数是0.3616nm。在时效过程中，将从基体中析出三种不同的沉淀相（、“、）。2）相 相的成分是Ni3（Al、Ti、Nb），为面心立方LI2结构，Ni原子位于面心位置，Al原子位于面心立方点阵的顶点出，点阵常数a是0.3590nm，形状为球状|。比较之下相组织稳定性较高。相的溶解温度范围为843871，析出
4、温度范围为593816。3）“相 作为该合金的主要强化相，其形状为圆盘状，成分为Ni3Nb，属于体四方DO22结构，它的单位晶胞及（111）面上的原子排列情况如下图12所示。强化相的特点是可以获得比较高的屈服强度，这是因为基体与强化相之间的点阵错配度较大，显著的共格应力强化效果造成的。由于相是个亚稳的过渡相，在长期的高温作用下，相非常容易聚集并且长大，并且相向相的转变会发生，因此失去共格性，导致强度的大大降低。因此，GH4169高温合金的工作温度小于650700。因为与基体的界面非常适宜于相生成，所以，我们总是发现“相析出在相的（100）面上，”相析出温度大约为595870，溶解温度为8709
5、30，析出峰值的温度大约为732760。4）相 相是正交结构，其（010）面原子排列和单位晶胞如图13所示。在富Nb的晶界和孪晶上，相大多以一定取向呈短棒状或针片状析出，位界上的球形相却被研究发现是无规则取向的。根据有关的文献报道，相的晶粒大小是与尺寸有关的，相的长度随着品粒尺寸的增加也在增加。相的析出需要一定的孕育期且析出温度约为780980。掘相关的文献报道：孕育期的长短和固溶温度有显著关系，孕育期随着固溶温度的增高而增长，这有可能是因为温度越高，相溶解越充分而引起的，相的平衡量在时效过程中与晶粒度有关，可供相形核的总晶界的面积随着晶粒长大降低了，所以，相析出的数量减少。因为相的溶解温度为
6、9821037，小于相溶解温度范围以下的固溶处理，晶粒长大的能够由合金中原来存在的相控制。1.2.3 GH41691.2.3 GH4169合金的相变合金的相变相向相的转变 GH4169是含Nb量较高的镍基高温合金材料。在凝固过程中，相析出在Ti、Nb较高的枝晶间，在相的层错上相会首先形核，相形核后将会长入基体，并且最终基体上取代原来的相，最后形成了相。相到相的转变过程Nb元素会被吸收，贫带在相两侧形成。相的析出形状在高温度下为短棒状，在较低温度下为针状。1.2.4 GH41691.2.4 GH4169相与应用温度的关系相与应用温度的关系 在GH4169合金中，相是面心立方晶系的稳定相，该相的数
7、量因Al、Ti含量较低所以较少，产生强化作用是因为在620 时效期间析出细小的颗粒 相呈圆盘状，是GH4169合金的主要强化相，是体心四方晶系的亚稳定相。720析出尺寸较小，在870保温期间析出的尺寸较大，所以该合金的时效温度设置在720。 相是一种正交晶系的稳定相，该相的数量与形貌取决于热加工参数，980大量溶解，900是该相的析出峰，1020能全溶。1.3 本次研究的意义、目的与内容本次研究的意义、目的与内容 长期以来，各个国家的科技人员投入了大量的的精力，物力和财力来研究GH4169高温合金，美国的TMS协会自1989-2005年已举办了6届关于GH4169高温合金的国际性研讨交流会，可
8、见GH4169的研究价值和重要性，GH4169高温合金在-253700温度范围内具有良好的综合力学性能，而且650以下的屈服强度在高温合金中排在较高的位置，由于具有优越的化学、机械和物理性能，在飞机发动机以及火箭发动机中得到了广泛的应用。本文分析不同热处理工艺对相析出量的影响以及相对拉伸性能的影响。为GH4169高温合金的热处理和加工提供重要的研究依据，对提高企业中的产品质量起到重要的作用。构思框图构思框图GH4169合金组织与性能激光快速成形GH4169不同热处理对相析出量的影响拉伸性能分析实验设备成形原理成形工艺热处理方案金相对比电镜对比延伸率断裂方式断裂机制结论第二章 连续点式锻压激光快
9、速成形GH41692.1 2.1 激激光快速成形技术光快速成形技术 2.1.1 2.1.1简介简介 激光快速成形技术是激光熔覆技术和快速原型RP（Rapid Prototyping）技术基础上结合发展起来的一项先进的制造技术，可以通过数控将三维模型直接加工制造，实现结构复杂、性能优异的金属零件的无模具的快速成型。激光快速成形不仅可以用于直接快速制造一些具有一定机械强度、能够承受一定力学载荷的航空航天类特殊金属零件，也可以用于零件上具有复杂结构形状、一定深度制造缺陷、误加工或服役损坏的修复和再制造。它把传统的“去除”式加工法改为“增加”式加工法。2.1.2激光快速成形原理图激光快速成形原理图2.
10、2 实验设备实验设备DL-HL-2000L CO2激光器成形装置与气体保护箱数控平台送粉装置2.3 实验过程实验过程 激光熔化沉积成形实验，生成一定形貌的激光熔化沉积层，并经过线切割形成一定形状的试样。（其中有单向扫描方式和编织扫描方式） 不同沉积路径示意图GH4169锻件基体连续点式锻压激光成型过程成形的实验试样第三章 不同热处理工艺对高温合金GH4169 相的析出量的影响3.1 热热处处理方案理方案（1） 960，2h，空冷，代号a （2） 960，1h，空冷，代号b3.2 制备试样过程制备试样过程1）镶嵌 由于一些试样太小、太薄，难以进行砂纸打磨和抛光，所以需要对其进行镶嵌。镶嵌时温度加
11、热到130，期间还要保持一定压力，定时进行压紧，随后保温810min，之后冷却，当温度下降至40以下，取出试样。2）磨制试样 首先粗磨然后细磨，具体操作步骤：将金相砂纸放在厚玻璃板上，从粗到细依次选择砂纸。待试样被磨面的磨痕方向一致时，方向调转90，然后继续磨制。随后更换下一号细砂纸，更换前应首先将试样清洗干净，以方便观察上一号砂纸的磨痕是否已经全部消除。3）抛光 抛光时，用手捏紧试样，将试样磨面均匀地、平整地压在旋转的抛光盘上，抛光时注意试样放置的位置，试样飞溅的方向应朝向操作人员的对侧，另外抛光压力不宜过大，抛光的评判标准为试样表面观察不到明显的划痕。4）腐蚀 金属类材料在各处的化学成分以
12、及组织不尽相同，它们的原子排列情况和电极电位都是不相同的，故腐烛液的配置也不同。对于镍基合金采用的腐烛液为：80%HCL+13%HF+7%HNO3。3.3 实验结实验结果与分析果与分析腐蚀后的试样在金相显微镜和扫描电子显微镜下观测，如下图A 不同热处理工艺的合金的显微组织B 不同热处理工艺的合金相形态 由图A可以看到,2种热处理合金的晶粒大小无明显差异，晶粒度均为9级左右。由图B的扫描电子显微镜照片可以发现，a和b处理后，晶界处析出了短棒和颗粒状的相，且A的相数量明显多于B图。 根据文献介绍：相的溶解温度在 980 以上，当晶界 相溶解时， 相对晶粒尺寸的抑制作用开始消失，晶粒会随温度的升高和
13、保温时间的延长而长大。 本实验两种热处理工艺温度都在980以下，析出的 相抑制了晶粒的长大，故晶粒的大小不随保温时间的变化而变化。2种固溶处理工艺的区别在于合金随保温时间的延长而导致 相析出量的增多。第四章 相对GH4169拉伸变形行为的影响4.1 实验材料与方法实验材料与方法 采用线切割和磨削的方式将修复试样加工成拉伸试样，尺寸如下图所示，然后利用 Z050 型试验机进行室温拉伸，拉伸时采用位移控制，加载速率 1 mm/min。4.2 室温拉伸断口形貌特征室温拉伸断口形貌特征GH4169合金室温拉伸断口形貌如下图所示。在本实验条件下，GH4169合金拉伸断口主要表现为韧窝状断口。由于相含量较高且集中在晶界，断口表面存在由于相集中而导致的较大尺寸的空洞，并且相越多空洞越大。ab第五章 结论1） 通过固溶处理实验，分析了GH4169不同热处理制度的相的析出规律，当温度在960时，随着保温时间的延长，相的含量逐渐增大。2） GH4169合金室温拉伸的断口主要表现为韧窝状断口，当 相含量较高且集中分布在晶界上时，其断口出现了很多尺寸较大的孔洞。3） GH4169高温合金的拉伸应力应变曲线为典型的弹性均匀塑性型。4） GH4169 合金随相含量的增加其屈服强度呈下降趋势。在塑性变形过程中应变硬化阶段，随着抗拉强度的升高，合金的塑性成型范围也随着增加。
