低膨脹高溫合金設計及其組織和性能研究.pdf

1、低膨脹高溫合金是基于“因瓦效應”和“時效強化”發(fā)展起來的新型高溫結構材料。利用低膨脹高溫合金制造發(fā)動機部件,可以實現發(fā)動機的間隙控制,降低油耗、提高燃油效率、提高發(fā)動機的推重比。航空和航天的發(fā)展要求發(fā)動機的工作溫度更高,對低膨脹高溫合金在高溫下的低膨脹性能、高溫抗氧化性能以及在高溫下的力學性能有了進一步的要求,有必要開發(fā)一種新型的抗氧化型低膨脹高溫合金。
　　本文通過計算過渡金屬元素合金化鐵鎳γ基體、γ′相和β相的轉移能,研究了過

2、渡金屬元素在鐵鎳γ基體、γ′相和β相中的占位情況。結合合金化后體系鐵磁狀態(tài)和順磁狀態(tài)的體積差百分比,篩選獲得了對基體自發(fā)磁致伸縮體積有利的元素:Sc、Ti、V、Co、Cu、Nb、Ru、Rh、Ag、Cd、Ta和Au。利用第一性原理結合準諧德拜模型計算了過渡金屬合金化γ′相和β相體系在壓強為0GPa不同溫度下的膨脹系數和體彈性模量,結合占位情況,分析了過渡金屬元素合金化對γ′相和β相的膨脹系數和體彈性模量的影響。分析結果顯示,在γ′相中加入

3、Nb、Tc、Ru、Rh、Cd、Ti、Co、Mn、Zn、Re、Os和Ta后其膨脹系數減小,尤其是Ta在高溫情況下膨脹系數隨著溫度升高的變化緩慢,對低膨脹高溫合金的膨脹性能有利;Ta、W、Re、Os、Ir、Tc、Ru、Rh、Nb、Mo和Pd的加入降低了β相的膨脹系數。對γ′相高溫強度有利的過渡金屬元素有:Ti、Co、V、Cr、Mo、Nb、Ru、Rh、Lu、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt和Ta。對β相高溫強度有利的過渡金屬元素:Co、

4、V、Mo、Nb、Tc、Ru、Rh、W、Ta、Re、Os和Ir。
　　利用第一性原理計算了合金中的可能存在的Ni3X相。從理論上證明γ′-Ni3Ti可以存在,分析其態(tài)密度發(fā)現,Ni和Ti的相互作用在-0.5eV附近產生一個偽能隙,預示了合金的鍵擁有共價鍵特征。費米能級處于反鍵區(qū)域,因此一些電子占據了反鍵態(tài)。這可能就是γ′-Ni3Ti在室溫下不穩(wěn)定的原因。結合準諧德拜模型預測了Ni3X相的熱力學性質。
　　通過元素篩選,將體系確

5、定為Fe-Co-Ni-Ta。參照EXP4005和Thermo-span設計了6種成分的合金進行對比性實驗。研究合金成分及其含量對組織和性能的影響。含4wt％Ta的合金在20~650℃的平均膨脹系數僅僅比不含Ta的膨脹系數大1.0×10-7。但是,650℃暴露在空氣中100h的氧化增重降低了一倍,并且650℃的高溫抗拉強度由987MPa增加到了1025MPa,屈服強度由783MPa增加到了820MPa;Co的加入升高了低溫下的膨脹系數,降