高温合金高纯化制备过程中电子束与微量杂质元素交互作用机理研究

Superalloy is a kind of important structural material used for the key aeroengine hot components, which requires extremely high strength, creep and fatigue properties at high temperature. Trace impurity elements such as O, N, S and the quantity, size and distribution of inclusions are the key factors that affect the properties and long-life stability of superalloy. High purification of superalloy is one of the most concerned hot spots in academia and industry. Electron beam smelting can effectively remove impurity elements and inclusions from the alloy and significantly improve its mechanical properties. However, there are still many basic science issues that are not yet fully understood, such as the existence form of impurity elements in multi-alloy system, interaction of electrons with impurity elements and inclusions, etc. It is important to clarify these mechanisms. In this project, based on the systematic study on the thermodynamic properties and the occurrence of impurity elements in nickel-based superalloys, the effect of directional migration of electrons on impurity elements removal and inclusions separation mechanism induced by electron beam are analyzed. The segregation state of impurity elements and its effect on nucleation and growth of precipitated phase are also studied to explain its influence mechanism on properties. This project aims to clarify the interaction mechanism of electron beam and impurity elements during preparation of high purity superalloy by electron beam smelting. It will strongly promote the establishment of the theory system for high purity material manufacturing by electron beam smelting, and provide theoretical support for the breakthrough of high-purity metallurgical technology.

高温合金是航空发动机关键热端部件所需的重要结构材料，对高温强度、蠕变和疲劳性能有极高的要求。O、N、S等微量杂质元素及其形成的夹杂物的数量、尺寸、分布是影响合金性能和长寿命使役稳定性的关键因素。高温合金的高纯化是目前学术界和工业界最关心的热点之一。电子束精炼可以有效去除合金中的杂质元素和夹杂物，显著提高其力学性能。但是，多元合金体系中杂质元素赋存结构、电子与杂质元素及夹杂物交互作用等基础科学问题尚未完全清晰，对这些机理进行解析具有重要意义。本项目在对镍基高温合金中杂质元素的热力学性质及赋存状态进行系统研究的基础上，解析电子定向迁移对杂质元素去除的影响和电子束诱导物相分离机制；研究高纯化合金中析出相形核、生长机制及对合金性能的影响。本项目拟阐明电子束精炼高温合金过程中电子束与杂质元素交互作用机理，将有力地推动建立基于电子束精炼的高纯化制造理论体系，为高纯冶金技术的突破提供理论支撑。

高温合金是现代航空发动机关键热端部件所需的重要高温结构材料。由于长期处于高温、高转速、高应力等极端工作环境，对于材料的高温强度、蠕变和疲劳性能有极高的要求。高温合金中O、N、S等杂质元素及其形成的夹杂物，严重影响合金的高温持久性能和疲劳性能，降低了其长寿命使役稳定性，控制这些杂质元素含量以及非金属夹杂物的尺寸，是提高高温合金的冶金质量及性能提升的关键。本项目以FGH4096合金为研究对象，创新性地提出采用电子束冶金制备超高纯FGH4096母合金，在对FGH4096镍基高温合金中杂质元素的热力学性质及赋存状态进行系统研究的基础上，围绕着电子束冶金过程中微量杂质元素以及非金属夹杂物的去除机理以及高纯合金性能响应机制开展研究。研究结果表明，FGH4096合金中的氧以固溶态和夹杂态两种形式存在，而氮主要固溶态的形式存在。电子束精炼技术能够有效去除FGH4096合金中的O、N、S微量杂质及其夹杂物，其中氧化物夹杂的原位溶解及分解是去除O杂质的主要途径，而N主要以熔体挥发的形式去除，较高的真空度有利于N的蒸发脱除。电子束流与熔体内部杂质元素之间的库伦作用力以及对化学键的破坏作用，可增加O、N在熔体内部迁移和逸出的驱动力，从而强化其深度分离。在夹杂物的去除方面，夹杂物的原位溶解及分解和诱导分离协同作用是去除夹杂物的主要机制。通过该研究，将合金中的O和N控制在1ppmw与2ppmw以下，最大夹杂物尺寸可控制在8μm以内，实现了高温合金的超纯净制备。此外，发现了超高纯合金中疲劳损伤裂纹萌生的新机制--多源弱化损伤，使得疲劳裂纹萌生孕育期增长、裂纹扩展速率降低，进而使得疲劳性能成倍提升。本项目的研究揭示了电子束冶金过程中电子束与杂质元素交互作用机理，建立了超纯净高温合金疲劳断裂响应机制，有力地推动了建立基于电子束精炼的先进高性能材料的高纯化制造理论体系，为先进粉末高温合金的高纯化制备及性能提升提供理论及技术支撑。