摘要
先进航空发动机热效率的不断提升对热端部件材料的承温能力和高温服役稳定性提出了更高的要求。为了促使大型铸件承温能力由目前的650℃以下提升至750?850℃，中国科学院金属研究所自主研发了K4750合金，其承温能力达到750℃。通过优化K4750合金中Al、Ti、Nb含量，研制了一种承温能力可达800℃的新型铸造镍基高温合金K4800。鉴于Co和Nb对镍基合金显微组织稳定性、γ''相析出行为的有益作用，本文系统研究了Co、Nb含量对合金显组织和力学性能的影响规律，阐明这两种关键元素在K4800合金中的作用机理，为获得综合性能优异的合金提供实验依据。论文取得的主要研究结果包括： (1)K4800合金主要析出相为γ''相、MC碳化物和M23C6碳化物。添加Co可以使其MC碳化物形貌由骨架状向块状转变，M23C6碳化物形态由絮状变成细条链状。同时，Co使更多Ti、Nb溶入MC碳化物，促进MC析出量增大，而使时效过程中M23C6碳化物析出量减少。此外，随着合金中Co含量增加，γ''相中Co浓度增加，导致合金中一次γ''相尺寸和体积分数减小，二次γ''相体积分数明显增大。添加Co使K4800合金在870℃/255MPa条件下的持久寿命以8h/1wt.%Co的速率显著增加。 (2)晶界处骨架状MC开裂导致不含Co合金室温拉伸和持久塑性较低，但在高温下，晶内骨架状MC开裂形成大量二次裂纹有助于改善800℃拉伸塑性。 (3)Nb对K4800合金组织及力学性能影响的研究显示，Nb是γ''相和MC碳化物的形成元素；随合金中Nb含量由0.5wt.%增加到2wt.%，组织中MC碳化物含量由0.8%增加到1.26%，MC碳化物尺寸明显增大，晶界上链状M23C6碳化物宽度逐渐变窄。在0.5Nb合金中未观察到一次γ''相，在1%Nb、1.5%Nb和2%Nb合金中，一次γ''相数量趋于增加。热力学计算指出，Nb明显提升γ''相析出温度，这是0.5%Nb合金中无一次γ''相析出的主要原因。Nb的添加提高γ''相体积分数，使得合金的屈服强度和抗拉强度分别提升约50MPa和100MPa。 (4)优化Co和Nb含量的K4800合金室温屈服和抗拉强度分别达到900MPa和1100MPa，800℃屈服和抗拉强度达到750MPa和900MPa，室温和高温拉伸塑性达到6%左右，显示出良好的拉伸性能。 本论文的研究，不仅为K4800合金中Co、Nb元素的含量优化和力学性能改善提供重要的理论依据，而且有助于拓展对镍基高温合金中Co、Nb元素作用机理的认识。
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