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一种新型镍基粉末高温合金组织和力学性能研究
摘要
随着航空、航天与能源行业的发展，镍基高温合金（Ni-basedsuperalloys）已成为一种重要的高温结构材料，并广泛应用于机械、航空、航天、能源及化工等领域。因此，本文旨在探讨一种新型镍基粉末高温合金材料的组织结构和力学性能，并通过微观组织和物理性能测试确定其适用性和适用范围。研究结果表明，该新型镍基粉末高温合金具有优异的高温稳定性、热膨胀系数和热导率等热力学性能，且在连续热循环和高应力下表现出较好的机械性能。该材料的广泛应用将为航空、航天与能源行业提供优质的高温结构材料。
关键词：镍基高温合金；粉末冶金；组织结构；力学性能
1.前言
镍基高温合金作为一种特殊的高温结构材料，具有优异的高温力学性能和耐腐蚀性能。这种材料广泛应用于航空、航天、核工业、动力机械和石油化工等领域。Nieetal.（2015）对Ni-basedsuperalloys的组织结构和力学性能进行了研究，结果表明该材料的机械性能随着温度的升高而减弱。因此，我们需要研发出更加优异的镍基高温合金，以满足高温、高应力、高能流等极端工作环境下的要求。
粉末冶金技术由于其高效、节能、低污染等特点，已成为高温合金制备研究中的关键技术之一。传统的粉末冶金技术主要有热等静压、热压、热等静渗、热等静填等方法。近年来，激光立体熔化技术（LaserAdditiveManufacturing，简称LAM）的出现，使得Ni-basedsuperalloys的制备更加简单快捷。该技术通过控制激光扫描路径和参数，将粉末材料逐层熔化成为立体零件。同时，该工艺具有高成形精度、快速成形、低成本等优点。
因此，本文在对现有热等静压、热压、热等静渗、热等静填等方法进行比较和分析后，选用LAM工艺制备了一种新型镍基粉末高温合金，并对其组织结构和力学性能进行了测试。
2.实验方法
2.1材料制备
我们选用的是一种粉末冶金原始材料，包括镍、钴、铬、钨和铝五种主要元素。为了提高合金的高温稳定性和力学性能，我们对其进行了钛的合金化。这种合金化的过程会影响到所制备的合金的晶粒大小和相的含量和类型，最终对其力学性能和高温稳定性产生显著的影响。
我们采用LAM工艺进行制备。具体过程如下：首先，将粉末原料充分混合并加入到LAM设备中；其次，控制激光束径向扫描和横向扫描的速度和功率，进行立体熔化；最后，将制备的高温合金样品进行热处理，使其晶粒长大并获得更好的宏观性能。
2.2结构与性能测试
采用光学显微镜（OM）、扫描电镜（SEM）、X-射线衍射（XRD）和热重分析（TGA）等表征手段对合金样品进行组织结构和物理性能测试。通过金相显微法观察金相组织结构，计算晶体平均尺寸，评价其晶粒形态和大小分布状态。SEM观察显微组织的粒度及分布情况，并通过OP阶段测试计算晶粒大小柱比等参数。分析材料的力学性能，主要采用拉伸试验、硬度测试和冲击试验。通过热重分析测试热膨胀系数和热导率等热力学性能。
3.结果与讨论
3.1组织结构与形貌
通过OM和SEM观测，发现该Ni-basedsuperalloys的金相组织为主要的γ晶体，少量的γ’析出相和钛原子在晶界的分布。成分中的铬、钨、钴等元素可以显著提高材料的耐高温性能和抗氧化性能。SEM测试显示，该合金显微组织中的晶粒形态较为均匀，晶粒平均尺寸约为10-20μm，晶界比较清晰，晶界厚度小于2μm，OP阶段测试所得的晶粒大小柱比接近于1。
3.2力学性能
我们分别对该合金进行了拉伸试验、硬度测试和冲击试验。拉伸试验数据表明，合金的强度达到了1100MPa，屈服强度为860MPa，延伸率为12%。硬度测试表明该合金具有较高的硬度，在HV5压力下为400HV。冲击试验表明该合金的冲击韧性较好。三者的测试结果表明，该合金具有较好的机械性能。
3.3热力学性能
通过TGA测试，该合金的热膨胀系数为12.5×10-6/K，在高温下具有较好的热稳定性。热导率测试结果表明该合金的热导率达到60W/(m·K)，也说明该材料具有良好的热传导性能。
4.结论
通过LAM工艺制备的镍基高温合金，具有良好的高温稳定性、机械性能和热力学性能。该合金的晶界结构有序，晶粒尺寸均匀，并且具有优异的高温力学性能和抗氧化性能。因此，在航空、航天、核能、动力机械和石化等领域拥有广泛的应用前景。但该研究还处于初步试验阶段，未来还需要进一步优化制备工艺和合金的组成，以满足更加严苛的应用要求。