热等静压修复

失效分析与预防研究所InstituteofFailureAnalysisandPreventionK002高温合金蠕变损伤修复技术答辩人：董键指导教师：张峥教授北京航空航天大学2012年硕士学位论文答辩失效分析与预防研究所InstituteofFailureAnalysisandPrevention主要内容研究背景与意义涡轮叶片的服役损伤行为固溶热处理中组织的变化HIP过程对合金损伤的修复恢复热处理的探索结论失效分析与预防研究所InstituteofFailureAnalysisandPrevention主要内容研究背景与意义涡轮叶片的服役损伤行为固溶热处理中组织的变化HIP过程对合金损伤的修复恢复热处理的探索结论失效分析与预防研究所InstituteofFailureAnalysisandPrevention航空发动机用Ni基高温合金高温复杂应力蠕变损伤显微组织退化蠕变空洞形成力学性能下降服役寿命缩短碳化物分解γ’相退化蠕变空洞TCP相腐蚀损伤点腐蚀高温腐蚀疲劳损伤高周疲劳低周疲劳热机械疲劳热等静压(HIP)叶片造价昂贵高温合金服役特性失效分析与预防研究所InstituteofFailureAnalysisandPreventionNi基铸造合金某型航空发动机II级涡轮叶片热处理制度：870℃,16h，空冷服役状态：未服役、400h和650hK002高温合金失效分析与预防研究所InstituteofFailureAnalysisandPrevention主要内容研究背景与意义涡轮叶片的服役损伤行为固溶热处理中组织的变化HIP过程对合金损伤的修复恢复热处理的探索结论失效分析与预防研究所InstituteofFailureAnalysisandPrevention涡轮叶片的服役损伤行为定量分析方法利用图像分析软件IPP统计γ’粒子、共晶、铸造疏松等的面积、周长，计算等效直径与形状因子等效直径π4AreaeterFeretDiam形状因子2π4PerimeterAreaorShapeFactIPP软件示意图失效分析与预防研究所InstituteofFailureAnalysisandPrevention未服役叶片原始态显微组织元素AlTiCrNiHfTaWwt%0.5913.311.252.8914.3444.6522.97碳化物能谱结果MC(1)型碳化物枝晶干区枝晶干与枝晶间过渡区合金中的碳化物失效分析与预防研究所InstituteofFailureAnalysisandPrevention未服役叶片γ’相的尺寸频率分布服从显著性水平为0.05的伽马分布叶片部位等效直径/nm形状因子γ’相体积分数/%叶顶进气边495.10.75946.4叶身半高进气边531.30.75353.6叶根进气边498.90.75251.3叶顶排气边491.70.75847.7叶身半高排气边541.60.75257.8叶根排气边539.70.74951.2正方形的形状因子为0.79失效分析与预防研究所InstituteofFailureAnalysisandPrevention铸造疏松尺寸频率分布与形状因子频率分布具有双峰函数特征铸造疏松尺寸频率分布铸造疏松形状因子分布失效分析与预防研究所InstituteofFailureAnalysisandPrevention服役叶片的组织退化γ’相粗化机制：Ostwald熟化粒子聚合共晶体积分数与服役时间呈直线关系Pearson指数r=0.99979元素AlTiCrCoNiHfTaWwt%0.429.782.521.518.8626.6336.7613.51枝晶间区生成MC(2)型碳化物无M6C型与M23C6型碳化物生成无TCP相生成枝晶干区枝晶间区服役后的碳化物失效分析与预防研究所InstituteofFailureAnalysisandPrevention叶片部位等效直径/nm形状因子γ’相体积分数/%叶顶进气边516.20.70848.9叶身半高进气边581.30.66647.7叶根进气边568.10.68147.9叶顶排气边610.30.63948.6叶身半高排气边557.60.60554.7叶根排气边551.30.65241.6服役400h叶片γ’相的尺寸频率分布服役400h叶片γ’相形貌特征参数失效分析与预防研究所InstituteofFailureAnalysisandPrevention叶片部位等效直径/nm形状因子γ’相体积分数/%叶顶进气边535.40.68547.6叶身半高进气边642.70.56747.4叶根进气边603.40.62748.3叶顶排气边620.80.60845.9叶身半高排气边699.90.59651.4叶根排气边613.30.63151.3服役650h叶片γ’相的尺寸频率分布服役650h叶片γ’相形貌特征参数失效分析与预防研究所InstituteofFailureAnalysisandPreventionγ’等效直径γ’形状因子γ’相体积分数三种服役状态叶片的比较显微硬度γ’粒子尺寸增大形状因子下降显微硬度下降失效分析与预防研究所InstituteofFailureAnalysisandPrevention根据LSW理论，γ’相的粗化动力学过程trr0K=-33r0和r分别为γ’相粗化前和粗化后的平均半径，t为粗化时间，K为与γ’粗化激活能Q有关的参数TR9DCVΓ8=Ke2mΓ为γ基体与γ’相的界面能，Vm为析出相的摩尔体积，Ce为与半径为∞的析出相平衡的溶质原子浓度，R和T分别为气体常数和绝对温度，D是溶质原子在基体中的扩散系数)RTQ-(expD=D0TTR/Q-A=)K(lnln(KT)与1/T存在直线关系，斜率为Q/R叶片服役温度的估算失效分析与预防研究所InstituteofFailureAnalysisandPrevention•Al在Ni中的体扩散激活能Q=270kJ/mol•假设叶身半高进气边温度为1173KTT/32475-6517.38=)Kln(叶片部位K值/(nm3/s)服役温度/K叶顶进气边13.7241119叶身半高进气边49.3591173叶根进气边40.8191164叶顶排气边51.4421174叶身半高排气边78.6261194叶根排气边31.4031153不同服役状态γ’等效直径均值叶片温度分布TTR/Q-A=)K(ln叶片服役温度的估算失效分析与预防研究所InstituteofFailureAnalysisandPrevention蠕变空洞特征：尺寸小于铸造疏松，约为1~4μm具有较为规则的几何外形形成于第二相（共晶、碳化物）与基体的界面蠕变空洞的形成失效分析与预防研究所InstituteofFailureAnalysisandPrevention主要内容研究背景与意义涡轮叶片的服役损伤行为固溶热处理中组织的变化HIP过程对合金损伤的修复恢复热处理的探索结论失效分析与预防研究所InstituteofFailureAnalysisandPrevention固溶热处理中组织的变化序号温度/℃时间/h冷却方式111101WQ211301WQ311501WQ411701WQ511901246WQ/AC6121012WQ712301246WQ/AC812501246WQAC合金的固溶热处理制度1170℃1190℃1230℃1250℃失效分析与预防研究所InstituteofFailureAnalysisandPrevention一次γ’尺寸与固溶处理温度的关系一次γ’体积分数与固溶温度的关系不同冷却方式的显微硬度固溶热处理温度、时间、冷速的影响失效分析与预防研究所InstituteofFailureAnalysisandPrevention生成M6C型碳化物元素TiNiHfTaWwt%7.225.7613.0429.5540.20'γ+CM→γ+MC6共晶组织中生成次生MC(2)型碳化物元素TiCrCoNiHfTaWwt%7.930.741.347.2531.2246.744.76固溶处理中的碳化物失效分析与预防研究所InstituteofFailureAnalysisandPrevention主要内容研究背景与意义涡轮叶片的服役损伤行为固溶热处理中组织的变化HIP过程对合金损伤的修复恢复热处理的探索结论失效分析与预防研究所InstituteofFailureAnalysisandPreventionHIP过程对损伤修复的研究编号温度/℃压力/Mpa时间/h112502004211902004HIP试验参数经HIP处理后未愈合的铸造疏松尺寸约为11μm叶片宏观图失效分析与预防研究所InstituteofFailureAnalysisandPrevention1190℃HIP处理后未愈合的蠕变空洞负的点阵错配度N型筏排空洞向中心生长1190℃HIP过程中的同心筏排失效分析与预防研究所InstituteofFailureAnalysisandPrevention不同状态下的显微硬度密度的测试：流体静力学称重法1190℃和1250℃进行HIP修复后共晶的体积分数分别为6.16%和3.76%修复效果的评估失效分析与预防研究所InstituteofFailureAnalysisandPrevention有必要采用HIP后的恢复热处理HIP处理后的碳化物HIP处理后的晶界失效分析与预防研究所InstituteofFailureAnalysisandPrevention主要内容研究背景与意义涡轮叶片的服役损伤行为固溶热处理中组织的变化HIP过程对合金损伤的修复恢复热处理的探索结论失效分析与预防研究所InstituteofFailureAnalysisandPrevention合金恢复热处理的探索序号固溶方案时效方案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，FC+870℃，8h，FC恢复热处理试验参数失效分析与预防研究所InstituteofFailureAnalysisandPrevention恢复热处理温度的影响失效分析与预防研究所InstituteofFailureAnalysisandPrevention方案7和8处理后的组织仍存在的问题之后的研究方向：（1）控制恢复热处理的冷却速率（2）晶界连续γ’薄膜与晶界碳化物的消除显微硬度失效分析与预防研究所InstituteofFailureAnalysisandPrevention主要内容研究背景与意义涡轮叶片的服役损伤行为固溶热处理中组织的变化HIP过程对合金损伤的修复恢复热处理的探索结论失效分析与预防研究所InstituteofFailureAnalysisandPrevention合金在高温服役中组织发生退化，γ’粒子粗化长大，它粗化长大的机制主要为Ostwald熟化机制与粒子聚合机制。同时叶片在高温服役中在第二相与基体界面会萌生蠕变空洞，定量分析了枝晶干区的γ’粒子在不同服役状态下的形貌尺寸特征，对叶片的服役温度分布进行了估算。研究了合金不同温度的固溶特性，γ’溶解实质是溶质原子的扩散过程，所以温度的贡献往往通过热激活的形式体现。在1170~1250℃的温度范围内选择热等静压的温度参数。结论失效分析与预防研究所InstituteofFailureAnalysisandPrevention结论HIP过程可以有效的使合金中的蠕变空洞与铸造疏松发生愈合。高温服役中一次γ’粒子发生了过时效，点阵错配度为负。HIP修复过程中过程，空洞周围粒子沿垂直于外压力方向发生筏排，向空洞中心生长。探索了合金的恢复热处理