热等静压修复课件
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2012年硕士学位论文答辩
K002 蠕变损伤修复技术
答辩人：董键 指导教师：张峥 教授
热等静压修复
主要内容
研究背 景与意
义
涡轮叶 片的服 役损伤 行为
固溶热 处理中 组织的 变化
HIP过 程对合 金损伤 的修复
恢复热 处理的 探索
结论
热等静压修复
主要内容
研究背 景与意
义
涡轮叶 片的服 役损伤 行为
31.403
1153
热等静压修复
蠕 变 空 洞 的 形 成
蠕变空洞特征： ➢ 尺寸小于铸造疏松，约为
1~4μm ➢ 具有较为规则的几何外形 ➢ 形成于第二相（共晶、碳化
物）与基体的界面
热等静压修复
主要内容
研究背 景与意
义
涡轮叶 片的服 役损伤 行为
固溶热 处理中 组织的 变化
HIP过 程对合 金损伤 的修复
45.9
叶身半高
排气边
699.9
0.596
51.4
叶根排气
边
613.3
0.631
51.3
热等静压修复
三
种
服
役
状 态
γγ’’相等体效积直分径数
叶
片
的
比
较
γ显’形微状硬因度子
γ’粒子尺寸增大 形状因子下降 显微硬度下降
热等静压修复
叶
根据LSW理论，γ’相的粗化动力学过程
片 服
r 3 - r0 3 = Kt
化物
Ti Cr
Co
Ni
Hf
Ta
W
wt% 0.42 9.78 2.52 1.51 8.86 26.63 36.76 13.51
无M6C型与M23C6型碳化物生成 无TCP相生成
共晶体积分服数役与后服的役碳时化间呈直线 关系 Pear物son指数 r = 0.99979
热等静压修复
服役400h叶片γ’相的尺寸频率 分布
恢复热 处理的 探索
பைடு நூலகம்
结论
热等静压修复
固溶热处理中组织的变化
序号 1 2 3 4 5 6 7 8
合金的固溶热处理制度
温度/℃
时间/h
冷却方式
1110 1
WQ
1130 1
WQ
1150 1
WQ
1170 1
WQ
1190 1 2 4 6
WQ/AC
1210 1 2
WQ
1230 1 2 4 6
WQ/AC
1250 1 2 4 6
γ’ 相退化 蠕变空洞
力学性能下降 服役寿命缩短
TCP相
热等静压修复
K002高温合金
• Ni基铸造合金 • 某型航空发动机II级涡轮叶片 • 热处理制度：870℃,16h，空冷 • 服役状态：未服役、400h和650h
热等静压修复
主要内容
研究背 景与意
义
涡轮叶 片的服 役损伤 行为
固溶热 处理中 组织的 变化
固溶热 处理中 组织的 变化
HIP过 程对合 金损伤 的修复
恢复热 处理的 探索
结论
热等静压修复
高温合金服役特性
高温 复杂应力
疲劳损伤 高周疲劳 低周疲劳 热机械疲劳
航空发动 机用Ni基 高温合金
蠕变损伤 显微组织退化 蠕变空洞形成
热等静压 (HIP)
叶片造价 昂贵
腐蚀损伤 点腐蚀 高温腐蚀
碳化物分解
WQAC
1170℃
1190℃
1230℃
热等静压修复
1250℃
固
溶
热
处
理
温
度
、
役 温
r0和r分别为γ’相粗化前和粗化后的平均半径，t为粗化时间，K 为与γ’粗化激活能Q有关的参数
度 的
K = 8ΓVm2 Ce D
估
9RT
算 Γ为γ基体与γ’相的界面能，Vm为析出相的摩尔体积，Ce为与半径为∞的
析出相平衡的溶质原子浓度，R和T分别为气体常数和绝对温度，D是溶
质原子在基体中的扩散系数
539.7
0.749
51.2
正方形的形状因子为0.79
热等静压修复
铸造疏松
尺寸频率分布与形 状因子频率分布具 有双峰函数特征
铸造疏松尺寸频率分 布
铸造疏松形状因子分布
热等静压修复
服役叶片的组织退化
γ’ 相粗化机制： ➢ Ostwald熟化 ➢ 粒子聚合
枝晶干区
枝晶间区
枝晶间区生成MC(2)型碳
元素 Al
HIP过 程对合 金损伤 的修复
恢复热 处理的 探索
结论
热等静压修复
涡轮叶片的服役损伤行为
定量分析方法
利用图像分析软件IPP统计γ’粒子、共 晶、铸造疏松等的面积、周长，计算 等效直径与形状因子
等效直径
Feret Diameter 4Area π
形状因子
Shape
Factor
4πArea Perimeter2
叶片温度分布
不同服役状态γ’等效直径均 值
叶片部位 叶顶进气边
K值/(nm3/s) 13.724
服役温度/K 1119
叶身半高进气边 49.359
1173
叶根进气边
40.819
1164
叶顶排气边
51.442
1174
ln(KT ) = A - Q / RT
叶身半高排气边 78.626
1194
叶根排气边
服役400h叶片γ’相形貌特征参
数
叶片部位 等效直径 形状因子 γ’相体积分
/nm
数/%
叶顶进气
边
516.2
0.708
48.9
叶身半高
进气边
581.3
0.666
47.7
叶根进气
边
568.1
0.681
47.9
叶顶排气
边
610.3
0.639
48.6
叶身半高
排气边
557.6
0.605
54.7
叶根排气
边
551.3
0.652
41.6
热等静压修复
服役650h叶片γ’相的尺寸频率 分布
服役650h叶片γ’相形貌特征参
数
叶片部位 等效直径 形状因子 γ’相体积分
/nm
数/%
叶顶进气
边
535.4
0.685
47.6
叶身半高
进气边
642.7
0.567
47.4
叶根进气
边
603.4
0.627
48.3
叶顶排气
边
620.8
0.608
未服役叶片γ’相的尺寸频率分 布
叶片部位
叶顶进气 边
叶身半高 进气边
叶根进气 边
叶顶排气 边
叶身半高 排气边
叶根排气 边
等效直径 形状因子 γ’相体积分
/nm
数/%
495.1
0.759
46.4
531.3
0.753
53.6
498.9
0.752
51.3
491.7
0.758
47.7
541.6
0.752
57.8
Q D = D0exp(- RT )
ln(KT ) = A - Q / RT
ln(KT)与1/T存在直线关系，斜率为Q/R
热等静压修复
叶
片
服
役
• Al在Ni中的体扩散激活能Q=270kJ/mol
温
• 假设叶身半高进气边温度为1173K
度
ln(KT ) = 38.6517 - 32475/ T
的
估
算
IPP软件示意图
热等静压修复
未服役叶片
枝晶干区
枝晶干与枝晶间过渡 区
原始态显微组织 碳化物能谱结果
元素 Al Ti Cr Ni Hf Ta W wt% 0.59 13.31 1.25 2.89 14.34 44.65 22.97
MC(1)型碳化物
热等静压修复
合金中的碳化物
服从显著性水平为0.05的伽马分布
K002 蠕变损伤修复技术
答辩人：董键 指导教师：张峥 教授
热等静压修复
主要内容
研究背 景与意
义
涡轮叶 片的服 役损伤 行为
固溶热 处理中 组织的 变化
HIP过 程对合 金损伤 的修复
恢复热 处理的 探索
结论
热等静压修复
主要内容
研究背 景与意
义
涡轮叶 片的服 役损伤 行为
31.403
1153
热等静压修复
蠕 变 空 洞 的 形 成
蠕变空洞特征： ➢ 尺寸小于铸造疏松，约为
1~4μm ➢ 具有较为规则的几何外形 ➢ 形成于第二相（共晶、碳化
物）与基体的界面
热等静压修复
主要内容
研究背 景与意
义
涡轮叶 片的服 役损伤 行为
固溶热 处理中 组织的 变化
HIP过 程对合 金损伤 的修复
45.9
叶身半高
排气边
699.9
0.596
51.4
叶根排气
边
613.3
0.631
51.3
热等静压修复
三
种
服
役
状 态
γγ’’相等体效积直分径数
叶
片
的
比
较
γ显’形微状硬因度子
γ’粒子尺寸增大 形状因子下降 显微硬度下降
热等静压修复
叶
根据LSW理论，γ’相的粗化动力学过程
片 服
r 3 - r0 3 = Kt
化物
Ti Cr
Co
Ni
Hf
Ta
W
wt% 0.42 9.78 2.52 1.51 8.86 26.63 36.76 13.51
无M6C型与M23C6型碳化物生成 无TCP相生成
共晶体积分服数役与后服的役碳时化间呈直线 关系 Pear物son指数 r = 0.99979
热等静压修复
服役400h叶片γ’相的尺寸频率 分布
恢复热 处理的 探索
பைடு நூலகம்
结论
热等静压修复
固溶热处理中组织的变化
序号 1 2 3 4 5 6 7 8
合金的固溶热处理制度
温度/℃
时间/h
冷却方式
1110 1
WQ
1130 1
WQ
1150 1
WQ
1170 1
WQ
1190 1 2 4 6
WQ/AC
1210 1 2
WQ
1230 1 2 4 6
WQ/AC
1250 1 2 4 6
γ’ 相退化 蠕变空洞
力学性能下降 服役寿命缩短
TCP相
热等静压修复
K002高温合金
• Ni基铸造合金 • 某型航空发动机II级涡轮叶片 • 热处理制度：870℃,16h，空冷 • 服役状态：未服役、400h和650h
热等静压修复
主要内容
研究背 景与意
义
涡轮叶 片的服 役损伤 行为
固溶热 处理中 组织的 变化
固溶热 处理中 组织的 变化
HIP过 程对合 金损伤 的修复
恢复热 处理的 探索
结论
热等静压修复
高温合金服役特性
高温 复杂应力
疲劳损伤 高周疲劳 低周疲劳 热机械疲劳
航空发动 机用Ni基 高温合金
蠕变损伤 显微组织退化 蠕变空洞形成
热等静压 (HIP)
叶片造价 昂贵
腐蚀损伤 点腐蚀 高温腐蚀
碳化物分解
WQAC
1170℃
1190℃
1230℃
热等静压修复
1250℃
固
溶
热
处
理
温
度
、
役 温
r0和r分别为γ’相粗化前和粗化后的平均半径，t为粗化时间，K 为与γ’粗化激活能Q有关的参数
度 的
K = 8ΓVm2 Ce D
估
9RT
算 Γ为γ基体与γ’相的界面能，Vm为析出相的摩尔体积，Ce为与半径为∞的
析出相平衡的溶质原子浓度，R和T分别为气体常数和绝对温度，D是溶
质原子在基体中的扩散系数
539.7
0.749
51.2
正方形的形状因子为0.79
热等静压修复
铸造疏松
尺寸频率分布与形 状因子频率分布具 有双峰函数特征
铸造疏松尺寸频率分 布
铸造疏松形状因子分布
热等静压修复
服役叶片的组织退化
γ’ 相粗化机制： ➢ Ostwald熟化 ➢ 粒子聚合
枝晶干区
枝晶间区
枝晶间区生成MC(2)型碳
元素 Al
HIP过 程对合 金损伤 的修复
恢复热 处理的 探索
结论
热等静压修复
涡轮叶片的服役损伤行为
定量分析方法
利用图像分析软件IPP统计γ’粒子、共 晶、铸造疏松等的面积、周长，计算 等效直径与形状因子
等效直径
Feret Diameter 4Area π
形状因子
Shape
Factor
4πArea Perimeter2
叶片温度分布
不同服役状态γ’等效直径均 值
叶片部位 叶顶进气边
K值/(nm3/s) 13.724
服役温度/K 1119
叶身半高进气边 49.359
1173
叶根进气边
40.819
1164
叶顶排气边
51.442
1174
ln(KT ) = A - Q / RT
叶身半高排气边 78.626
1194
叶根排气边
服役400h叶片γ’相形貌特征参
数
叶片部位 等效直径 形状因子 γ’相体积分
/nm
数/%
叶顶进气
边
516.2
0.708
48.9
叶身半高
进气边
581.3
0.666
47.7
叶根进气
边
568.1
0.681
47.9
叶顶排气
边
610.3
0.639
48.6
叶身半高
排气边
557.6
0.605
54.7
叶根排气
边
551.3
0.652
41.6
热等静压修复
服役650h叶片γ’相的尺寸频率 分布
服役650h叶片γ’相形貌特征参
数
叶片部位 等效直径 形状因子 γ’相体积分
/nm
数/%
叶顶进气
边
535.4
0.685
47.6
叶身半高
进气边
642.7
0.567
47.4
叶根进气
边
603.4
0.627
48.3
叶顶排气
边
620.8
0.608
未服役叶片γ’相的尺寸频率分 布
叶片部位
叶顶进气 边
叶身半高 进气边
叶根进气 边
叶顶排气 边
叶身半高 排气边
叶根排气 边
等效直径 形状因子 γ’相体积分
/nm
数/%
495.1
0.759
46.4
531.3
0.753
53.6
498.9
0.752
51.3
491.7
0.758
47.7
541.6
0.752
57.8
Q D = D0exp(- RT )
ln(KT ) = A - Q / RT
ln(KT)与1/T存在直线关系，斜率为Q/R
热等静压修复
叶
片
服
役
• Al在Ni中的体扩散激活能Q=270kJ/mol
温
• 假设叶身半高进气边温度为1173K
度
ln(KT ) = 38.6517 - 32475/ T
的
估
算
IPP软件示意图
热等静压修复
未服役叶片
枝晶干区
枝晶干与枝晶间过渡 区
原始态显微组织 碳化物能谱结果
元素 Al Ti Cr Ni Hf Ta W wt% 0.59 13.31 1.25 2.89 14.34 44.65 22.97
MC(1)型碳化物
热等静压修复
合金中的碳化物
服从显著性水平为0.05的伽马分布