EB-PVD制備Y2O3彌散增強Ni基合金薄板的組織及力學(xué)性能.pdf

1、金屬熱防護系統(tǒng)(TPS)是可重復(fù)使用運載器(RLV)的關(guān)鍵技術(shù)之一。與傳統(tǒng)的陶瓷防熱瓦相比，具有重量輕、抗熱震性好、結(jié)構(gòu)簡單、容易安裝替換、可靠性高等優(yōu)點。金屬TPS最為關(guān)鍵的部分是能夠耐高溫、抗氧化的表面材料。本文采用了電子束物理氣相沉積(EB-PVD)技術(shù)成功地制備出直徑1000 mm、厚度為150μm的Y2O3彌散增強鎳基高溫合金薄板，并采用表面機械研磨處理(SMAT)及熱處理手段改善合金力學(xué)性能。不僅對EB-PVD的工藝特點進行

2、了研究，同時還應(yīng)用現(xiàn)代分析測試手段研究了合金的組織結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能以及抗氧化性能，研究內(nèi)容主要包括：高溫合金薄板的制備方法、薄板的SMAT處理及熱處理、薄板的微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能及抗高溫氧化性能研究等。
　　研究發(fā)現(xiàn)制備態(tài)合金靠近基板的表面形成了細小的納米晶層，而遠離基板的表面則形成了粗大的柱狀晶，柱狀晶直徑約為3-5μm左右，相分析表明基體主要為單一γ-Ni相。TEM結(jié)果表明柱狀晶主要為生長孿晶構(gòu)成。極圖測試結(jié)果表明柱狀晶生長具有明

3、顯的擇優(yōu)取向，<111>方向與板法向平行，為典型的<111>絲織構(gòu)。薄板柱狀晶取向沿半徑方向有規(guī)律變化。柱狀晶在半徑方向沿邊緣向中心傾斜，且傾斜角度可以根據(jù)測量不同位置處的厚度值建立理論模型進行估算。柱狀晶傾角對薄板力學(xué)性能具有一定影響，隨著傾角增大，抗拉強度逐漸增大。但在薄板邊緣處，由于入射角變化范圍過大，造成其沉積狀態(tài)較為復(fù)雜，與此規(guī)律有一定偏差。由于薄板兩個表面不同的微觀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致兩面的力學(xué)性能差異較大。由于沉積面柱狀晶間結(jié)合狀態(tài)

4、不佳，裂紋極易沿晶界擴展，導(dǎo)致制備態(tài)合金塑性較差。而基板面塑性則明顯優(yōu)于沉積面。常溫拉伸結(jié)果表明氧化物彌散增強（ODS）薄板的斷裂主要受柱狀晶區(qū)控制，為典型的脆性沿晶斷裂，斷裂強度較高，可以達到1080 MPa，但延伸率很低，幾乎為0。薄板高溫拉伸性能不理想，但ODS薄板抗拉強度略優(yōu)于不含有氧化物的參比薄板，在980℃拉伸時，ODS薄板抗拉強度為54 MPa。參比薄板980℃拉伸時，幾乎已經(jīng)軟化，強度僅為24 MPa，且延伸率上升至14

5、0％。
　　為了得到適當(dāng)?shù)慕M織形貌和較好的力學(xué)性能，采用SMAT技術(shù)對合金沉積面進行處理。經(jīng)過SMAT處理后，薄板的表面晶粒尺寸明顯降低，形成晶體學(xué)取向呈隨機分布的細晶組織。表面層硬度及屈服應(yīng)力均顯著增加。薄板在沉積面承受拉應(yīng)力情況下的抗彎性能有了明顯的改善。但SMAT對薄板整體的拉伸性能影響不大。通過差熱分析和硬度測定等手段確定了800℃為合金的時效溫度，1100℃為固溶溫度。熱處理之后合金柱狀晶結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯改善。經(jīng)長時間時效

6、處理后，柱狀晶間發(fā)生燒結(jié)現(xiàn)象，柱狀晶結(jié)構(gòu)消失不見，合金斷裂方式轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄詳嗔?。并且由于沉淀相析出，合金強度也提升?220 MPa。而高溫固溶后，合金沉淀相全部重新固溶回基體當(dāng)中，合金晶粒尺寸迅速長大，并有Y3Al5O12(YAG)析出，這將導(dǎo)致顆粒增強相Y2O3的減少。拉伸測試結(jié)果顯示其抗拉強度降低至930 MPa，延伸率提升至2.42%。
　　制備態(tài)及熱處理態(tài)合金在1000℃恒溫氧化100 h之后，恒溫氧化動力學(xué)分析結(jié)果表明合