粉末高温合金研究进展与应用

粉末高温合金由于特有的组织与性能已成为制造先进航空发动机涡轮盘的优选材料。为提升航空发动机的使用性能及可靠性,对粉末高温合金从材料、制造技术到涡轮盘的工程化应用进行全面和深入的研究,在粉末盘相应的关键技术上取得突破性进展,确立粉末盘制备的工艺路线,并制定工艺与检测的技术文件。为缩短研制周期,优化工艺过程。数值模拟技术也在粉末盘制备过程中得到广泛应用,并取得初步验证实验结果。

粉末高温合金中夹杂物特性及其质量控制

研究了粉末高温合金中夹杂物特性及对材料断裂行为的影响 ,包括夹杂物的性质及来源、夹杂物在材料变形过程中的形变特征、夹杂物对材料疲劳断裂行为的影响等 。

涡轮盘风冷过程数值模拟研究

采用商用CFD分析软件Fluent对涡轮盘固溶处理后的风冷过程进行了数值模拟研究,定量分析了盘件内温度、冷速等参数的分布情况。模拟结果显示,单风扇风冷过程中盘件沿径向和周向的温度分布较三风扇冷却方式均匀。两种形式风冷过程的风场结果表明,单风扇冷却时盘件表面的冷却速度较高。

粉末高温合金中夹杂物特性及其质量控制

研究了粉末高温合金中夹杂物特性及对材料断裂行为的影响 ,研究内容包括 :夹杂物的性质及来源、夹杂物在材料变形过程中的形变特征、夹杂物对材料疲劳断裂行为的影响等 ,同时研究了盘件在生产过程中夹杂物质量控制方法 .

高温合金熔炼工艺讨论

分析了高温合金所采用的各种冶炼方法,调研了几种主要冶炼方法的设备情况,讨论了其应用及发展动态,对比了国内外高温合金的熔炼数据,讨论了国内外粉末高温合金熔炼方法的差别,研究了我国粉末高温合金VIM+VAR双联工艺对锻件性能的影响。研究结果表明,为提高我国粉末高温合金纯净度,在着力改进高温合金熔炼工艺的基础上,应积极发展并提高双联及三联熔炼等新工艺。

Ni基粉末冶金高温合金平衡析出相的热力学研究

为了对Ni基高温合金进行优化设计,采用热力学计算软件Jmatpro与相应的Ni基高温合金数据库,对3代粉末高温合金René95、René88DT和René104合金的平衡相析出行为进行了热力学计算与比较研究。结果表明:3种合金的平衡相种类基本相同,主要平衡相为γ、γ'、碳化物M23C6和MC以及硼化物M3B2,但析出量、析出温度及范围存在差别。René104合金有较高的γ'相析出温度和较多的γ'相析出量,而René88DT合金的γ'相析出温度最低,γ'相析出量最少;Ta的添加使Nb元素在γ'相中的含量随温度降低先增加后减少的变化规律变为随温度降低而一直减少;另外,对于碳化物而言,René95和René88DT合金中的碳化物析出规律基本一致,只是析出量和析出温度区间不同,而René104合金与它们存在一定差别。

石墨烯增强镍基粉末高温合金复合材料的力学性能

采用湿混法将石墨烯纳米片分散到高温合金粉末中,并采用热等静压+热挤压+等温锻造+热处理的方法制备出FGH96镍基粉末高温合金。结果表明:石墨烯纳米片在高温合金中分散均匀,初步发现在后续的热工艺过程中并未发生变性;添加0.1%(质量分数)的石墨烯后,室温抗拉强度和屈服强度分别提高了58MPa和43MPa,塑性从21.0%提高到37.3%;650℃条件下抗拉强度和屈服强度分别提高了58MPa和28MPa,塑性从18.5%提高到26.5%。此外对石墨烯增强FGH96镍基高温合金力学性能的作用机制也进行了进一步分析。

热处理对FGH96合金异常晶粒长大的影响

基于FGH96合金双锥体试样压缩变形实验及短时加热实验,研究热处理工艺对异常晶粒长大的影响规律,分析异常晶粒长大初始过程的晶粒组织及γ′相。结果表明:具有相同局部应变的双锥体试样经过固溶热处理时,会出现异常晶粒组织,而亚固溶热处理不会出现异常晶粒组织。当压头速率为0.1mm/s及0.008mm/s时,经过固溶热处理的双锥体试样,均会在保温时间小于30s时,局部出现具有较大晶粒的不均匀组织,最终成为异常晶粒。采用过固溶热处理,晶界上的二次γ′相会在到达固溶温度后的60s内几乎完全溶解,其对晶界的钉扎作用消失。采用亚固溶热处理,晶界上的γ′相不会发生溶解,会阻碍晶界的迁移,不会发生晶粒异常长大。

FGH95合金连续冷却条件下γ′相析出过程的研究

研究了FGH95粉末高温合金的平衡γ′相含量与温度的关系 ,得到了连续冷却条件下合金的γ′相平均粒径与冷速的关系 ,并分析了γ′相的析出规律。研究指出 ,在连续冷却条件下 ,γ′相的析出并非由扩散长大过程所控制 ,而很可能是由析出形核过程控制的。同时 ,FGH95合金淬火时 ,仅在 10 0 0℃以上需要保持较高的冷速 ,低于此温度 ,γ′相几乎不再粗化 ,并根据这一原则为FGH95合金涡轮盘的热处理过程选取了合适的淬火介质。

热等静压FGH95粉末涡轮盘

采用氩气雾化和等离子旋转电极雾化两种制粉工艺制备的ＦＧＨ９５ 粉末和双韧化（颗粒界面韧化＋热处理强韧化） 热等静压近尺寸成形盘件制备工艺， 制备了ＦＧＨ９５ 粉末涡轮盘。性能达到国外同类合金的Ａ 级水平并装机通过了发动机的盘件结构试验与试车。

FGH96粉末高温合金涡轮盘淬火过程界面换热系数的研究

以试验方法研究了FGH96粉末高温合金涡轮盘在空冷、风冷和油淬等条件下的表面换热行为,进而反算求解得到了界面换热系数,并将其应用到实际盘件热处理过程的数值模拟当中。结果表明,油淬条件下的界面换热系数远大于其他两种冷却方式,其最大值约为空冷换热系数最大值的10倍。现有工艺适合文中涡轮盘的热处理,淬火应力低于材料对应温度的屈服强度。

热等静压温度对FGH96粉末高温合金显微组织的影响

热等静压工艺在飞机发动机粉末盘的研制中是一个关键热工艺,对粉末高温合金盘形件的组织、性能起重要作用。选择4种热等静压温度,对不同热等静压工艺后的组织进行研究。实验结果表明,提高热等静压温度可以促进消除残余枝晶,促进基体再结晶及再结晶晶粒长大,促进一次γ′相溶解和二次γ′相形核和长大。

变形工艺对FGH96合金晶粒异常长大的影响

基于FGH96合金双锥体试样及圆柱试样等温压缩变形实验,研究了变形温度、应变速率及应变对晶粒异常长大的影响规律,并对双锥体试样的等温压缩进行了数值模拟计算。结果表明：通过双锥体试样等温压缩,总结出FGH96合金在变形温度960～1060℃,应变速率0.0032～0.032s-1范围内,异常晶粒长大的敏感工艺参数组合。当变形温度1040℃,压头速率0.1mm/s时,在应变0.03～0.2范围内,FGH96合金晶粒组织均匀,无异常晶粒组织出现。建立了FGH96合金的有限元模型,模拟了双锥体试样的等温压缩,得到了与试样截面晶粒分布特征相对应的应变分布。

粉末涡轮盘力学性能的计算机预测

通过对采用直接热等静压工艺制备的粉末高温合金涡轮盘的性能与淬火冷速的关系分析 ,建立了盘件淬火计算机模拟分析的基本技术 ,可用于盘件的淬火冷速分析和组织性能预测。与实际比较 ,力学性能预测结果达到了很高的精度 。

喷丸强化对FGH96粉末高温合金疲劳性能应力集中敏感性的影响

为研究喷丸强化对FGH96粉末高温合金疲劳性能应力集中敏感性的影响,采用不同强度陶瓷丸喷丸强化对合金磨削表面进行了表面处理,并研究了疲劳性能和表面完整性状态。研究结果表明:在650℃下,当应力集中系数由Kt=1提高到Kt=1.7时,FGH96合金磨削状态疲劳极限由583MPa下降到465MPa;经过大强度喷丸强化后,Kt=1.7疲劳极限回复到530MPa;小强度喷丸强化对Kt=1.7疲劳极限无增益作用。大强度喷丸强化消除了加工刀痕,表面粗糙度略有增大,引入了深度达到100μm的残余应力场,在600MPa下疲劳源萌生于次表层,呈单源疲劳模式;小强度喷丸强化无法消除加工刀痕,在600MPa下疲劳源萌生于表层,呈多源疲劳模式。结果证明适宜的喷丸强化工艺可以缓解结构应力集中对粉末合金疲劳性能的削弱。

取样位置对FGH95盘形件蠕变性能的影响

采用分级加载法分析在593℃,1034MPa条件下试样取样位置对FGH95粉末盘形件蠕变性能的影响。结果表明,不同位置的蠕变性能与该位置在盘形件热处理时的固溶冷速密切相关,冷速快的位置的蠕变起始塑性变形和稳态蠕变速率低于冷速慢的位置。

C元素对FGH96粉末高温合金显微组织和力学性能的影响

对C质量分数分别为0.05%和0.09%的FGH96合金进行了显微组织和力学性能的分析。结果发现:C元素含量较高时,除了碳化物数量明显增多外,还会在晶界处形成较大尺寸的块状MC碳化物;但是,C元素含量并未对原始颗粒边界(prior particle boundary,PPB)、晶粒度及γ′相产生明显的影响。C元素含量较高会提高FGH96合金在650℃时的抗拉强度和屈服强度,但会降低其塑性。在低周疲劳试验中,C元素含量较高,形成的大块MC型碳化物分布于表面或亚表面,将会作为裂纹起源从而显著降低合金的低周疲劳性能。

热挤压态FGH95合金热变形特性

采用Gleeble 3800D热模拟压缩试验机系统地研究了挤压态FGH95合金在变形温度1050~1120℃、应变速率0.001~1.000 s^(−1)条件下的热压缩变形行为,获得了挤压态FGH95合金的应力应变曲线,建立了挤压态FGH95合金的本构方程,并基于动态材料模型,绘制了合金的热加工图。结果表明,挤压态FGH95合金的热变形本构方程高温材料常数分别为热变形激活能Q=300.925 kJ·mol^(−1),常数α=0.01139 MPa−1,参数n=1.86。相较于热等静压态,挤压态合金激活能下降50%以上。根据热加工图能量耗散效率并结合微观组织分析,找到了挤压态FGH95合金的加工安全区和失稳区,提出了热加工工艺参数范围:应变速率为0.010~0.100 s^(−1),变形温度为1050~1120℃。

原始组织对FGH96合金热压缩变形行为和组织的影响

采用Gleeble热力模拟机分别对平均晶粒直径30μm的热等静压态、10μm的挤压态细晶和3μm的挤压态超细晶FGH96合金进行了等温压缩试验,变形温度为1000~1100℃,应变速率为0.001~0.1s-1。结果表明,在相同变形温度和应变速率下,挤压态合金的应力远小于热等静压态的,随着原始晶粒尺寸减小,FGH96合金的应力呈减小趋势,但在1100℃和0.001s-1变形时,挤压态超细晶的应力略高于挤压态细晶的;应变速率为0.001s-1时,热等静压态组织在1100℃呈现稳定流动特征,应力不随应变的增大而增大,而挤压态细晶组织在1050℃和1100℃均呈现稳态流动特征;应变速率为0.001s-1时,挤压态超细晶组织1050℃应力低于1100℃的,且晶粒组织较1100℃细小均匀,1100℃变形容易形成混晶,组织不易控制。