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先进航空发动机涡轮盘用FGH98合金组织与性能研究

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  • 【题名】:先进航空发动机涡轮盘用FGH98合金组织与性能研究
  • 【年份】:2019
  • 【作者】:张明
  • 【摘要】:FGH98是我国正在研发的、用于制造高推重比航空发动机涡轮盘的第三代高强度损伤容限型粉末高温合金,FGH98涡轮盘的研发采用“热等静压→热挤压→等温锻造→双性能热处理”技术路线。由于FGH98合金及涡轮盘件热加工和热处理组织性能研究的不足,尤其是热挤压开裂严重影响盘件研发进展,亟有必要深入研究如何改善合金热塑性、优化设计热加工工艺及盘件双性能热处理工艺。为此,本文对FGH98合金各工艺下的组织与性能以及基础问题进行了相对系统性的研究,对进一步的研发提供热加工及热处理工艺及合金组织调控的理论依据和技术支持。首先采用热物理模拟开展热等静压态FGH98合金热变形行为与规律等基础性研究。在真应变0.2~0.6、温度1060~1165℃、应变速率0.01~10 s-1范围内,发现1080~1120℃时可应变诱发不连续动态再结晶获得晶粒尺寸为1.2~6.8 μm的完全γ+γ’显微双相晶粒组织,合金热塑性大幅度提升。通过SEM和TEM观测、功率耗散因子η与显微组织及流变应力的交互分析,揭示了 γ+γ’显微双相晶粒组织的形成机理,发现了此类特殊形态组织的稳定性变化规律和科学控制方法,为攻克合金大变形量热挤压开裂问题提供新途径。采用热处理实验对热挤压+等温锻造态合金在固溶处理过程中γ基体晶粒长大规律进行了基础性研究。温度为1060~1191℃,时间为10~60min。各温度下晶粒长大行为不同:温度较低时晶粒长大缓慢;在接近或高于γ’相固溶线温度时晶粒快速长大。发现晶粒长大行为主要受γ’相对晶界迁移阻力的控制。采用γ’相数量φ和尺寸r的比值表征晶界迁移阻力的大小,发现其值随温度升高逐渐减小,晶界迁移表观激活能Q则随温度升高而逐渐降低至晶界扩散激活能。由此建立了修正的γ基体晶粒长大模型,能够准确预测各温度范围的合金晶粒长大行为,从而可以为获得满足双性能要求的晶粒尺寸分布提供依据。采用示差扫描量热分析和热物理模拟对热挤压+等温锻造态合金固溶冷却过程中γ’强化相析出行为进行了基础性研究,固溶温度和冷速分别采用1191℃、0.1~10.8℃·s-1。发现γ’相的尺寸、形态和分布与冷速密切相关,进而采用线性回归方法拟合得到二次/三次γ’相平均尺寸与冷速的定量关系。发现0.1~1.4℃·s-1冷速下可以获得γ’相多模尺寸分布显微组织,其微观机制系受基体过饱和度变化和γ’相形成元素(Al、Ti)扩散速率的共同控制。其中0.1℃·s-1冷速下的二次γ’相形态发生分裂和不稳定长出,部分晶界处较大的三次γ’相由于高过饱和度下的局部点扩散效应发生不稳定长出。上述γ’强化相析出行为研究结果用于保障固溶冷却盘件性能和避免盘件淬火开裂。对固溶0.1℃·s-1冷速下的多模显微组织进行815℃、16~100 h的时效实验,研究和评估在服役过程中的合金的组织稳定性。实验发现:在时效过程中,固溶冷却形成的二次γ’相粒子进一步分裂为若干尺寸较小的粒子,导致γ’相平均尺寸随时效时间增加而减小;分裂得到尺寸相当的二次γ’相粒子则使γ’相的粗化驱动力降低,同时二次γ’相粒子形状趋于圆润化,其形态稳定性增加。待时效过程中基体过饱和度消耗殆尽,固溶冷却形成的三次γ’相粒子始终呈区域性分布在二次γ’相之间,其表面突起消失趋于呈光滑球形。最后,结合前文热变形行为的基础性研究结果构建人工神经网络模型,解决了应变补偿阿累尼乌斯本构模型无法预测预报热等静压态FGH98合金大应变条件下热变形行为的难题。进而基于前文所得大变形条件下合金热变形行为规律、γ基体晶粒长大规律、γ’相高温析出规律,对FGH98合金及涡轮盘件“热等静压→热挤压→等温锻造→双性能热处理”技术路线中热挤压和双性能热处理等关键工艺进行了优化设计。
  • 【会议名称】:博士
  • 【类别名称】:刘国权,胡本芙
  • 【载体】:北京科技大学
  • 【会议地点】:2019
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