GH4169合金是沉淀強(qiáng)化型鎳鐵基高溫合金,在發(fā)動機(jī)、石油、核工業(yè)等領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用。以往研究表明,當(dāng)使用溫度超過650℃時,其主要強(qiáng)化相γ"會發(fā)生相轉(zhuǎn)變,使強(qiáng)化相的體積分?jǐn)?shù)和強(qiáng)化效應(yīng)下降,限制了合金在更高溫度領(lǐng)域的應(yīng)用。本研究在總結(jié)GH4169合金組織、析出相特征和相關(guān)性能的基礎(chǔ)上,介紹δ相的析出和分布與合金性能的關(guān)系,總結(jié)了該合金的成分改性特點(diǎn),對該合金在700℃甚至更高溫度/低應(yīng)力下*使用的可能性做出了展望。 發(fā)展冶金結(jié)合兼顧耐磨耐蝕性的低成本、高質(zhì)量涂層及其制備方法是表面工程研究領(lǐng)域重要發(fā)展方向之一。本文采用超音頻感應(yīng)熔覆制備低成本鐵基、鎳基合金涂層方法,研究具有冶金結(jié)合、耐蝕、耐磨三者兼顧的綜合性能涂鍍層制備技術(shù),主要探討了以下三個關(guān)鍵科學(xué)問題：(1)鐵、鎳基合金粉體感應(yīng)熔覆形成硬質(zhì)顆粒復(fù)合增強(qiáng)結(jié)構(gòu)涂層的形成條件與影響規(guī)律；(2)硬質(zhì)顆粒復(fù)合增強(qiáng)結(jié)構(gòu)感應(yīng)熔覆涂層成分、組織與其冶金結(jié)合、耐蝕、耐磨性的關(guān)系；(3)硬質(zhì)顆粒復(fù)合增強(qiáng)結(jié)構(gòu)感應(yīng)熔覆涂層耐磨性與其受摩擦磨損時能否發(fā)生晶態(tài)-非晶態(tài)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變、形成原因及其與非晶含量的關(guān)系。通過自行組建超音頻感應(yīng)涂層制備裝置,選用T×××鐵基合金粉體(FeCrNiCoMo、FeCrBSi、FeCrBMo),并與普遍認(rèn)為耐磨耐蝕鎳基合金NiCrBSi(Ni60A)進(jìn)行對比研究,成功制備出冶金結(jié)合、低孔隙、低稀釋率耐磨耐蝕性能優(yōu)異的鐵基、鎳基涂層。獲得了感應(yīng)熔覆工藝條件影響規(guī)律：工作電流和加熱時間減少,涂層孔隙率逐漸增大,涂層/基體界面呈機(jī)械結(jié)合或半冶金結(jié)合；工作電流和加熱時間增加,涂層孔隙率逐漸降低,涂層稀釋率不斷增加,熔池溫度決定涂層/基體界面兩側(cè)合金元素互擴(kuò)散速率。鎳基、鐵基涂層微觀組織結(jié)構(gòu)致密,呈非平衡快速凝固特征。涂層/基體界面區(qū)域在快速冷卻凝固狀態(tài)下呈現(xiàn)附于基體半熔化區(qū)晶粒外延生長且與熱流方向平行的平面晶組織,底部為樹枝晶結(jié)構(gòu)。熔點(diǎn)及合金成分差異是鎳基、鐵基涂層微觀結(jié)構(gòu)和物相組成不同的主因,鐵基初始熔覆狀態(tài)下涂層為純晶態(tài)結(jié)構(gòu),鎳基涂層物相轉(zhuǎn)變過程為L→(γ+L)+CrB+Cr7C3→γ+CrB+Cr7C3+γ-Ni/Ni3Si；鐵基涂層物相轉(zhuǎn)變過程為：L→(α/γ+L)+(Cr,Fe)2B→α/γ+(Cr,Fe)2B+α/γ)/(Cr,Fe)2B。鎳基、鐵基涂層具有優(yōu)良的室溫和高溫干滑動摩擦磨損性能。研究結(jié)果表明：鎳基、鐵基涂層顯微硬度沿層深方向呈梯度增加趨勢,涂層/基體界面處的渦流及趨膚效應(yīng)協(xié)同作用引發(fā)界面硬度顯著增加,硬度超過基體的2倍。涂層室溫磨損機(jī)理為彌散強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化,隨載荷、磨損速率、磨損時間的增加,涂層磨損機(jī)制由輕度粘著磨損、磨粒磨損逐漸向中度粘著磨損、磨粒磨損轉(zhuǎn)變；涂層高溫磨損機(jī)理為彌散強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化及氧化膜自潤滑保護(hù)混合機(jī)制,磨損機(jī)制為粘著磨損、磨粒磨損和氧化磨損的混合機(jī)制。鐵基涂層硬度和耐磨性優(yōu)于鎳基涂層,硬質(zhì)析出相含量、固溶體韌性越高,涂層硬度、耐磨性能越高。鎳基、鐵基涂層具有優(yōu)良的耐蝕性能,浸泡試驗(yàn)和電化學(xué)測試結(jié)果表明：鎳基、鐵基涂層在模擬海水溶液中的腐蝕機(jī)理為陽極溶解和鈍化膜保護(hù)機(jī)制,涂層鈍化膜由Cr2O3、 FeCr2O4、 SiO2組成,涂層具有優(yōu)良耐蝕性能的本質(zhì)原因是高致密性復(fù)合氧化膜的鈍化作用對腐蝕介質(zhì)有的機(jī)械阻隔作用；H2S/CO2高溫高壓環(huán)境下,鎳基涂層腐蝕產(chǎn)物主要為FeS、 CrS,鐵基涂層腐蝕產(chǎn)物主要為FeS、 FeCr2S4,涂層較好的耐蝕性主要是由于溫度升高促進(jìn)腐蝕產(chǎn)物的沉積和產(chǎn)物膜致密度的提升,對腐蝕介質(zhì)起到隔離作用；涂層高溫氧化動力學(xué)曲線符合拋物線規(guī)律,致密連續(xù)、附著力良好的(Cr,Fe)2O3復(fù)合型氧化膜為涂層提供良好的高溫抗氧化性能。硬質(zhì)顆粒復(fù)合增強(qiáng)結(jié)構(gòu)感應(yīng)熔覆FeCrNiCoMo和FeCrBSi涂層受摩擦磨損會發(fā)生晶態(tài)-非晶態(tài)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變,晶態(tài)-非晶態(tài)轉(zhuǎn)變有利于提高涂層減摩、抗磨能力,該現(xiàn)象的發(fā)生歸因于磨損過程中大量位錯等缺陷的引入使涂層晶體結(jié)構(gòu)自由能不斷增加直至晶態(tài)結(jié)構(gòu)失穩(wěn),非晶含量隨磨損時間和載荷的增加逐漸提高并趨于穩(wěn)定在40%附近；隨涂層凝固速率增加,枝晶半徑逐漸減小,枝晶間距逐漸增加,再減??；Ni元素含量越高,涂層γ相區(qū)越大,Ni元素較高時,初生γ相為橢球狀結(jié)構(gòu),Ni元素較低時,初生γ相則呈現(xiàn)不規(guī)則結(jié)構(gòu)；基于LS-SVM建立涂層磨損預(yù)測模型,磨損預(yù)測模型在較少預(yù)測樣本前提下仍能獲得較為準(zhǔn)確的磨損行為預(yù)測結(jié)果。建立了一套快速、單次熔覆大厚度且精度可控的涂層制備方法,分別在直通管和帶凹槽導(dǎo)輪零件表面制備厚度分別達(dá)6.0、3.6mm感應(yīng)熔覆涂層；感應(yīng)重熔保護(hù)層以SiO2、 Al2O3為骨架,實(shí)現(xiàn)了HVOF涂層與基體由機(jī)械結(jié)合向牢固冶金結(jié)合的轉(zhuǎn)變,涂層孔隙率從5.74%大幅降至0.43%,耐蝕性能提高2.74倍。
鐵基高溫合金是一種普遍應(yīng)用于國防、能源、以及核工業(yè)等領(lǐng)域的高溫結(jié)構(gòu)材料,提高其抗氧化性對發(fā)展和改進(jìn)鐵基高溫合金具有重要的意義。本文通過粉末合金化的方法對鐵基高溫合金的成分配比進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn),首先對工件樣品進(jìn)行成分分析和抗氧化性檢測,然后通過單因素實(shí)驗(yàn)分別考察了Al、Si、Cr和Ni等成分對鐵基高溫合金基體抗氧化性的影響,在此基礎(chǔ)上運(yùn)用正交實(shí)驗(yàn)探究各因素的綜合影響程度并zui終獲得12009下抗氧化性的合金粉末成分配比的參數(shù),即Al<4%,Cr在20%左右,含量Si不低于1.5%,Ni>8%,這也為今后改進(jìn)爐用鐵基高溫合金的抗氧化性能、降低制造成本和提高工件使用壽命提供了技術(shù)路線和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
JMat Pro和鎳鐵基合金數(shù)據(jù)庫,計算分析了一種新型γ相強(qiáng)化鎳鐵基高溫合金的凝固特征溫度和熱力學(xué)平衡相的析出行為;評估了調(diào)整γ相形成元素Al、Ti,抗蝕元素Cr和C含量對合金凝固特征溫度和相析出行為的影響。結(jié)果表明:合金主要相組成為γ、γ、MC和M23C6;隨著Ti和Al含量的提高,γ相的析出溫度和含量增加,Ti元素的影響更顯著;Cr含量的增加會降低合金液相線、固相線和M23C6相的析出溫度并致M23C6相的析出含量先增加后減小;增加C含量會減小合金的結(jié)晶溫度間隔、提高M(jìn)C和M23C6相的析出溫度和析出含量。本模擬研究結(jié)果將為合金的優(yōu)化設(shè)計提供參考。
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