高溫鐵基合金是生產渦輪噴氣發(fā)動機渦輪盤和緊固件的重要材料,在長時間的中高溫環(huán)境下服役后,會出現性能的衰退,甚至造成安全事故,因此有必要對合金的力學性能和耐腐蝕性能進行強化。激光沖擊強化作為一項全新的表面強化技術,利用沖擊過程中產生的高應變率動態(tài)沖擊波作用于材料表面,引起劇烈塑性變形,從而大幅提升合金的綜合力學性能,延長其使用壽命。本文以GH2036合金為研究對象,通過宏觀力學和微觀結構兩方面實驗,驗證了激光沖擊對GH2036合金綜合力學性能和耐腐蝕性強化的可行性,并總結出強化機理。論文的主要工作和研究結論如下:(1)理論上分析了激光沖擊波作用于材料表面,引起塑性變形的響應過程。獲得了激光沖擊作用下合金微觀結構的變化規(guī)律及作用機理,通過理論分析和計算,優(yōu)化了激光沖擊GH2036合金的實驗參數。(2)研究了激光沖擊作用下GH2036合金的表面形貌、粗糙度、顯微硬度和殘余應力的變化?？偨Y并論述了激光沖擊GH2036合金力學性能強化的作用機理是析出相強化、位錯強化以及細晶強化的綜合作用,其中析出相和位錯共同作用促成了位錯強化。建立了激光沖擊GH2036合金的晶粒細化模型:激光沖擊過程中,散亂分布的位錯因塑性變形而大量增殖,同時相互作用形成位錯纏結、位錯胞等多種位錯結構;位錯結構進一步演變,形成取向隨機的亞晶界;隨著系統內能量的穩(wěn)定,晶粒細化完成。(3)探究了GH2036合金在熱腐蝕和電化學腐蝕中抗腐蝕能力的變化規(guī)律,從宏觀和微觀角度證明了激光沖擊對GH2036合金耐腐蝕性能的提升作用,建立了氧化膜剝落和腐蝕凹坑的形成模型,并從理論上總結出強化原因。研究結果表明:殘余壓應力的增加和耐熱耐腐蝕析出相的增殖是激光強化耐腐蝕性能的重要原因。殘余壓應力抑制了腐蝕產物的剝落和裂紋的產生,防止腐蝕的進一步加劇;激光沖擊作用后析出相數目的增多和微觀結構的變化使得合金表層結構更為穩(wěn)定,提升了腐蝕啟動的閥值,增加了耐腐蝕性能。
對鐵基高溫合金GH2132進行450℃低溫等離子體滲氮。利用掃描電子顯微鏡、X射線衍射技術分析研究滲氮層組織結構特點。結果表明:滲氮層由高硬度且耐蝕性更好的奧氏體基過飽和氮固溶體,即膨脹奧氏體γ_N相組成。γ_N相的點陣參數由表及里沿滲層深度逐漸降低,且點陣膨脹相對于基體奧氏體呈各向異性。滲層厚度約23μm,呈雙滲層結構,即形成了內擴散層。
對A286鐵基高溫合金進行固溶溫度+時效兩段式熱處理工藝優(yōu)化研究。采用固溶熱處理制度為930~1020℃/4 h/WC,固溶時間為0~4 h。合金時效研究采用640~790℃/4 h/AC熱處理;在時效溫度730℃條件下,研究0~16 h時效時間對合金組織及性能的影響。結果表明:隨著固溶溫度上升和時間延長,合金晶粒尺寸有一定程度長大,但硬度逐漸下降;隨著時效溫度提高及時間延長,合金的硬度先升高而后降低;在固溶熱處理過程中,合金隨著固溶處理溫度提高及時間的延長,γ’相回溶入基體;當固溶后的時效溫度提高至700℃才析出γ’強化相;隨著時效時間延長,析出的γ’強化相發(fā)生粗化;合金時效γ’強化相粗化過程符合Ostwald熟化長大規(guī)律,計算值與實際值相關系數大于97%;同時,確定了的熱處理工藝制度。
