[发明专利]一种镍基高温合金多级析出相强度设计方法

说明书

经典的析出相强化设计方法，都是依靠实验观测得到的单一析出相平均尺寸和体积分数。事实上，合金基体中形成了连续的单峰或多峰分布的多级析出相。此外，即使析出相的尺寸大于决定绕过或切割机制的临界尺寸，但仍可以通过绕过机制和切割机制与位错相互作用。在此，本发明提出了一种新的多级析出相强度设计方法，以更准确地预测析出相的强化贡献。与经典析出相设计方法预测结果相比，本发明提出的多级析出相强度设计方法获得的屈服强度与实验结果吻合度非常高，预测更为准确。本发明的设计方法获得了多级析出相增强镍基高温合金最大强度对应的最优析出相尺寸范围，因此可以帮助设计先进的高强度镍基高温合金，同时提高了镍基高温合金材料工程应用可靠性，科研价值以及工程应用价值巨大。

技术领域

本发明涉及多级析出相强化设计方法的开发及强化贡献量的准确预测。具体涉及位错理论、晶体塑性理论、概率论等，针对多级析出相增强镍基高温合金实现屈服强度的准确预测。

背景技术

粉末冶金镍基高温合金由于在高温下具有优异的稳定性和高强度，被广泛应用于涡轮盘和飞机发动机中。它们的独特性能来源于独特的微观结构，包括多模态尺寸分布的L1₂析出相γ'和面心立方基体γ，与γ基体相比，γ'析出相具有较低的晶格错配。尺寸为几微米的原生析出相位于晶界，以抑制与晶粒粗化有关的晶粒旋转和晶界迁移。除初级析出相外，还有另外两类纳米级的二级和三级析出相位于晶粒内部。这些复杂的分布使镍基高温合金在高达750℃的温度下达到较高的屈服强度(GPa)，同时表现出较高的抗蠕变和疲劳寿命特性。

高强度是工程材料追求的永恒目标，析出相强化是提高金属材料(特别是镍基高温合金)强度的重要手段。析出相强化设计方法的开发及强化贡献量的准确预测，对于理解析出相强化机理以及进一步通过调控析出相强化合金，具有重要的科学和工程意义。本设计方法基于位错理论、晶体塑性理论、概率论等，针对析出相增强镍基高温合金实现屈服强度的准确预测。经典的析出相强化设计方法，无论是Orowan机制还是切割机制所描述的，都是依靠实验观测得到的单一平均尺寸和分散的析出相。事实上，合金基体中形成了连续的单峰或多峰尺寸分布的析出相，虽然析出相的尺寸大于决定绕过或切割机制的临界尺寸，但总是通过绕过机制和切割机制与位错相互作用。在此，本发明提出了一种镍基高温合金多级析出相强度设计方法，它是一种概率依赖的析出相强化机制，可以更准确地评估多级析出相强化的贡献。与经典析出相强化设计方法的结果相比，特别是对于大尺寸析出相，概率依赖型多级析出相强化设计方法得到的屈服强度与实验结果有较好的一致性，估计更为准确。此外，本发明提出的设计方法与经典设计方法的抗拉强度差异不仅来自于概率相关的Orowan绕过机制，还来自于基于统计理论的析出相尺寸大小服从正态分布。而最大析出相强化及相应的最优的析出相尺寸范围就在弱耦合和强耦合的转变区，以帮助开发先进的高强度镍基高温合金。

发明内容

本发明在给定实验数据和统计理论的基础上，提出了一种镍基高温合金多级析出相强度设计方法，本发明基于位错理论、晶体塑性理论、概率论等，针对多级析出相增强镍基高温合金实现屈服强度的准确预测。此外，还可以获得镍基高温合金的最佳析出相半径范围，从而获得最大强度镍基高温合金，有望为发现先进的高强度镍基高温合金提供指导。

本发明的技术方案是：

首先通过经过真空感应熔炼、气体雾化、热等静压、热挤压等一系列工艺制备了该合金。随后在不同冷却速率下制备了多级析出相增强的镍基高温合金。用FEI Quanta 650场发射扫描电镜和Oxford Instruments HKL Nordlys Max2 EBSD检测器对溶液处理前后的多级析出相进行表征。利用Image-Pro Plus软件，获得多级析出相微结构参数(图1)。