学科专业：材料加工工程

论文题目：熔体超温处理对第三代单晶高温合金凝固过程和组织的影响

答 辩 人：王海锋

指导教师：张军 教授

时 间：2018年10月16日 上午9:00

地 点：友谊校区公字楼328室

一、学位论文简介

镍基单晶高温合金具有优异的高温力学性能、良好的抗氧化以及耐腐蚀性能，主要被用来制造航空发动机的热端部件。在单晶高温合金发展过程中，提高合金性能的主要途径是在合金中添加大量的难熔元素。然而难熔元素的过量添加，不仅提高了合金的成本和密度，同时也导致合金中有害相的析出几率增加以及合金元素偏析加重。对于经历液固相变的材料，熔体结构的变化对于合金熔体特性、凝固过程和组织及性能都有重要影响。通过采用熔体超温处理技术，合金中元素偏析减弱，枝晶组织细化，强化相的数量、尺寸和分布状态改善，能够在不改变合金成分的情况下提高材料性能。因此，人们对熔体超温处理技术进行了大量的研究。然而，目前针对熔体超温处理技术的研究主要局限于其对镍基单晶高温合金组织的影响，关于熔体结构与特征温度的准确对应关系以及熔体状态对形核过冷度、结晶温度间隔和溶质分配系数等凝固特性的影响研究较少。

本文以第三代镍基单晶高温合金DD90为研究对象，研究了熔体热历史对形核过冷度的影响以及熔体结构变化区间；揭示了溶质分配随熔体热历史的演化规律，进一步探讨了凝固界面和组织随熔体超温处理参数演化机制；对比分析了熔体超温处理和成分变化对高温持久寿命的影响。论文的主要创新与贡献如下：

(1) 明确了第三代镍基单晶高温合金DD90的熔体特性和凝固特性与熔体超温处理参数的关系。发现熔体结构转变的临界过热时间和冷却速率分别为15 min和15℃/min，熔体结构在1500-1600 ℃和1700-1800 ℃两个区间内发生明显变化。形核过冷度随过热温度的增加呈先增加后降低的趋势，在1780 ℃附近形核过冷度有最大值。

(2) 揭示了溶质扩散系数随熔体超温处理参数的演化规律。当熔体超温处理温度为1700 ℃，超温处理时间和恒温静置时间分别为30min时，溶质元素分布均匀，溶质分配系数趋近于1。

(3) 探明了熔体处理参数对凝固界面稳定性和组织的影响规律。熔体超温处理可增强凝固界面的稳定性，但过高的温度会导致界面失稳。熔体超温处理不改变晶粒竞争淘汰方式，但显著增大晶粒竞争淘汰速率。熔体超温处理增大溶质扩散系数和减小枝晶间距，使得晶粒竞争生长行为发生变化。

二、攻读博士学位期间以第一作者（或导师第一）发表的与学位论文相关的学术论文

[1] Haifeng Wang, Haijun Su, Jun Zhang, Min Guo, Yanbin Zhang, Quanzhao Yue, Lin Liu, Taiwen Huang, Wenchao Yang, Hengzhi Fu. Investigation on solidification path of Ni-based single crystal superalloys with different Ru contents. Materials Characterization. 2017, 130, 211-218 (SCI: 000409284900025; EI: 20172603811786) (第6章6.1节)

[2] Haifeng Wang, Haijun Su, Jun Zhang, Yafeng Li, Lin Liu, Hengzhi Fu. Effect of melt thermal history on solidification behavior and microstructural characteristics of a third-generation Ni-based single crystal superalloy. Journal of Alloys and Compounds. 2016, 688, 430-437 (SCI: 000384430800056; EI: 20162902608854) （第三章3.2节）

[3] 王海锋, 苏海军, 张军, 黄太文, 刘林, 傅恒志. 熔体超温处理温度对新型镍基单晶高温合金溶质分配行为的影响. 金属学报. 2016, 52(4): 419-425 (SCI: 000374809600005; EI: 20162202439915)（第4章4.2和4.3节）

[4] 王海锋, 苏海军, 张军, 黄太文，郭敏, 刘林, 傅恒志. 熔体过热处理技术及其在镍基高温合金中的应用研究进展. 精密成形工程. 2017, 3(9): 55-64（第1章1.3节）