高溫、高速和磨損等環(huán)境對材料的性能要求很高,普通的金屬材料已經(jīng)難以滿足該環(huán)境下要求的性能,高性能的粉末冶金材料逐漸成為了研究熱點之一。為了研制高性能鐵基粉末冶金材料,本文在課題組前期研究基礎上,采用熱壓燒結技術對WC或Nb C增強的納米晶Fe-10Cr-1Cu-1Ni-1Mo-2C粉末進行燒結,并研究了燒結鐵基合金材料的微觀組織、增強相、力學性能以及耐磨性能。采用高能球磨技術預處理混合粉末,得到含增強相的納米晶復合粉末,并研究了球磨時間、增強相含量對球磨后粉末的影響。進而利用制得的含WC的納米晶復合粉末在900℃~1100℃進行熱壓燒結,燒結得到的WC顆粒增強Fe–10Cr–1Cu–1Ni–1Mo–2C合金。燒結態(tài)合金組織主要由富Cr鐵素體、WC、Fe3C以及M7C3(M=Fe、Cr、Mo)組成,對比不同溫度燒結試樣的組織形貌,900℃燒結合金組織還存在明顯的孔隙,而1000℃和1050℃試樣的組織致密且均勻細小,1100℃燒結合金的組織出現(xiàn)晶粒長大現(xiàn)象。燒結合金的萃取物尺寸細小(<1μm),主要由M7C3、WC、Fe3C和Cr2O3這幾個物相組成,其中原位自生的M7C3尺寸大概在200~500 nm之間,均勻的分布在基體上并且與基體間有良好的界面結合環(huán)境。當燒結溫度由900℃提高至950℃時,燒結樣孔隙率急劇降低,密度、硬度顯著提高;燒結溫度繼續(xù)升高,試樣的密度、硬度逐漸增加,但在1100℃燒結得到的合金密度、硬度出現(xiàn)下降現(xiàn)象。此外,隨著燒結溫度的升高,燒結態(tài)合金的抗壓強度不斷增大。在以上研究基礎上,采用熱壓燒結制備Nb C顆粒增強Fe–10Cr–1Cu–1Ni–1Mo–2C合金,同時對合金組織結構以及力學性能進行分析,并進一步研究了燒結態(tài)顆粒增強高鉻鐵基粉末冶金材料的增強相種類、尺寸和分布。熱壓燒結態(tài)合金組織主要由富Cr鐵素體、Nb C、Fe3C以及M7C3組成。燒結合金的萃取物尺寸細小(<1μm),主要由M7C3、Nb C、Fe3C和Cr2O3這幾個物相組成。在基體內(nèi)的所有增強相中,自生M7C3相尺寸zui大,可以達到500 nm以上,并且其與鐵素體基體之間的界面很整潔。隨著燒結溫度的升高,燒結態(tài)試樣的密度逐漸提高,當燒結溫度為1000℃以上時,已經(jīng)可以獲得基本全致密的試樣,其中1100℃燒結的試樣致密度zui高(理論密度的99.7%)。燒結態(tài)合金的抗壓強度隨著燒結溫度的升高而增大,燒結溫度在1000℃以上得到的樣品抗壓強度均高達2100 MPa以上。針對高性能鐵基合金的實際應用條件,對制備的材料進行高溫拉伸性能和摩擦磨損性能測試,研究了不同溫度、不同WC含量的試樣的高溫拉伸性能,以及燒結溫度、增強相含量對摩擦磨損性能的影響。經(jīng)過高能球磨和熱壓燒結得到的不含WC、含5wt.%WC和含8wt.%WC的燒結合金試樣在室溫下均具有較高的抗拉強度(≥1160MPa);隨著拉伸試驗溫度的提高,各試樣的抗拉強度均呈現(xiàn)下降的趨勢,從室溫到400℃區(qū)間內(nèi),各試樣抗拉強度下降的不明顯,在400~600℃間,試樣的抗拉強度呈現(xiàn)直線下降;在600℃時,所有試樣仍可以保持很高的高溫強度值(≥780 MPa),試樣拉伸斷口具有準解理斷裂的特征。在摩擦磨損試驗中,摩擦系數(shù)隨著時間的變化均呈現(xiàn)很大的波動,試樣的磨損機制主要為磨粒磨損和粘著磨損;材料的耐磨性能隨著燒結溫度以及增強相含量的升高先增后減,其中含5wt.%WC的材料在1050℃燒結得到的合金具有的耐磨性能。
GH4099合金是一種Ni-Fe-Co基變形高溫合金,具有良好的塑韌性和冷熱疲勞性,持久蠕變性能的優(yōu)異性更加明顯,主要應用于700-750℃工作電站當中燃氣輪機渦輪工作的葉片。該合金是在GH2135合金的基礎上,通過降低2%的Al+Ti含量發(fā)展而來。與其它合金相比,其不含重金屬元素并且加入了大量的Fe,節(jié)約了大量的成本。本論文主要對合金*時效后的顯微組織進行觀察從而分析時效溫度和時間對GH2107合金組織的影響,*時效的條件為在650℃、700℃和750℃下分別時效500h-10000h;對熱處理態(tài)下的合金分別進行了瞬時拉伸和持久拉伸實驗;zui后探討了微量元素B、P對合金組織變化及力學性能的影響。論文的研究結果表明:GH2107合金標準熱處理態(tài)組織主要有:γ沉淀相以及M23C6和MC兩種類型的碳化物,隨著時效溫度和時間的增加,γ相和晶界(主要由Cr23C6構成)都發(fā)生了明顯的粗化,粗化速率隨時間和溫度的升高而增大,時效在溫度750℃下粗化現(xiàn)象zui為顯著。當時效溫度和時間達到750℃3000h或700℃5000h時,開始析出TCP相,主要呈塊、片和針狀分布在晶界、碳化物周圍和基體內(nèi)。熱處理態(tài)合金的瞬時拉伸強度隨溫度升高而降低,塑性反之,合金的屈服強度在700℃有個明顯的回升。在室溫至高溫的拉伸過程中,合金斷口從沿晶斷轉(zhuǎn)向穿晶斷。將持久拉伸實驗獲得的數(shù)據(jù)構成LMP拉伸米勒曲線,可預測其持久壽命,在700℃200MPa下合金的壽命可達十萬小時,優(yōu)于同類別的其它合金。B和P在室溫晶界強化較弱,但在700℃下對晶界起到很好的強化作用,提高合金的性能。但當B含量較高時,會與P產(chǎn)生競爭機制,從而對降低合金的拉伸強度及持久壽命。P的添加會抑制裂紋在表面萌生與擴展,所以有利于合金的持久性能。
