TC11合金热变形特性及变形参数对组织的影响

通过热模拟压缩试验,分析了TC11合金的高温变形特性及不同变形参数下的组织演化规律,用非线性回归方法建立了TC11合金Kumar型材料的本构关系,得出了TC11合金的高温流变曲线基本呈流变软化特征的结论;最后应用MSC/Autoforge软件对TC11合金某型号涡轮盘的等温锻造工艺进行了模拟式工艺设计,验证了TC11合金材料本构关系的工程适用性。

GH4720Li合金细晶棒材制备的热加工工艺研究

通过合理的热加工工艺获得组织均匀细小的棒材是难变形高温合金GH4720Li研制成功的关键和难点。通过对变形高温合金开坯工艺调研以及在GH4720Li合金MTS热模拟实验和数值模拟基础上,对开坯工艺参数进行了初步确定,据此采用2000t快锻机对406mm的GH4720Li合金铸锭进行了开坯试制,获得的棒材组织均匀、细小,性能优良。实验结果表明,得到的GH4720Li合金开坯工艺参数合理可行。

GH4169合金的反常应力松弛行为

对GH4169合金在500,620,720℃下进行了应力松弛、蠕变和热膨胀试验,结合显微组织观察研究了合金的应力松弛行为。结果表明:在500℃和620℃应力松弛试验过程中,GH4169合金的应力随时间的延长反常增大,在蠕变过程中表现为负蠕变应变,而在720℃下合金的应力松弛和蠕变行为均正常;在不同温度热膨胀试验过程中,GH4169合金均出现了收缩现象;γ″相析出使得γ基体的晶格常数减小,是导致GH4169合金在620℃下应力反常增大的主要原因。

外应力对GH4169合金时效强化作用的影响

采用应力保载与时效相结合的方法对GH4169合金进行应力时效热处理,通过检测时效后合金的屈服强度和抗拉强度来衡量外应力施加对合金时效强化效果的影响。结果表明,时效初期外应力会强烈促进γ″相形核析出,合金强化效果显著;随时效时间的增加,时效中后期合金强化效果逐渐减弱;长时时效8h后外应力促进形核作用导致γ″相尺寸减小,使得合金强度反而低于无外应力条件。

扭转变形及退火处理对MP35N高温合金力学性能及微观结构的影响

采用扭转变形和退火处理调控MP35N合金的微观结构并改善其力学性能,对其力学行为进行微观机理分析。研究结果表明:扭转变形在合金径向上引入了梯度位错密度,使应变最大的表面处晶粒细化并引入大量层错。梯度结构的引入使得扭转变形后合金的强度显著提高至约767 MPa,同时拥有可观的均匀伸长率(约40%);进一步的退火处理并未改变扭转变形引入的梯度结构(包括梯度位错密度和晶粒尺寸),但退火处理导致合金中一部分位错的湮灭,并使得表面区域的层错转变为纳米孪晶。退火处理导致纳米孪晶的形成以及“铃木(Suzuki)效应”的作用使得合金发生了二次硬化。退火过程产生的二次硬化与位错湮灭导致的退火软化相抵消,二次硬化提供的强度约为76 MPa。

GH4720Li合金中析出相的研究进展

GH4720Li高温合金因其具有良好的高温强度、抗疲劳和抗腐蚀性能以及长期组织稳定性,被广泛应用于高性能航空发动机涡轮盘等转动部件。本文归纳了GH4720Li高温合金中γ'相的作用机理和演变规律,并分析了γ'相与高温性能之间的关联性和γ'相与残余应力的交互影响规律。此外,还综述了GH4720Li高温合金的改型研究进展,展望了未来分区控冷技术和双组织双性能盘制备技术在高温合金中的应用。

GH4169合金高温动态应变时效实验及模拟

为了解和掌握GH4169高温合金热处理过程中动态应变时效(dynamic strain ageing,DSA)现象对力学性能的影响,通过高温单轴拉伸实验及数值模拟的方法对固溶态该合金高温条件下DSA现象进行了实验及模拟研究.不同应变率的单轴拉伸实验在620℃的高温下进行,应变速率分别为10-2、10-3、10-4 s-1.实验结果表现出了由DSA效应导致的负的应变率敏感性,以及明显的锯齿状屈服现象.基于热激活能的塑性流动法则并对DSA效应予以明确考虑,建立了材料宏观一维本构模型,其中变形阻力被分为位错滑移阻力及DSA效应导致的变形阻力两部分,DSA效应模型中引入等效时效时间及等效热激活等待时间两个内变量,通过最小二乘法进行参数拟合.该本构模型的计算结果与实验结果具有较高的一致性.结果表明,通过分析本构模型中内变量的变化趋势得出结论,位错滑移阻力随应变速率的提高表现出上升趋势,而DSA效应导致的变形阻力随应变率的提高表现出下降趋势.因此,材料强度在一定应变率范围内的应变率负相关现象是由于DSA效应及正的率效应两种机制之间的竞争所导致.

新型镍钴基高温合金拉伸性能和变形机制研究

采用SEM、EBSD和TEM研究了室温(25℃)和中温(650、700和750℃)下新型镍钴基高温合金力学性能及其变形机制。结果表明:室温下,合金的屈服强度和延伸率分别是1176 MPa和22.5%,主要的变形机制为大量位错发生滑移,不全位错切割γ′相形成孤立层错。当温度达到650℃时,观察到微孪晶切割二次γ′相和γ基体,以连续层错切割二次γ′相和γ基体变形为主。在700~750℃时,以连续层错和微孪晶同时切割二次γ′相和γ基体为主,并且层错的长度和微孪晶的厚度随温度的升高而增加。650~750℃范围内,切割一次γ′相的机制从APB转变到孤立层错。讨论了中温条件下变形机制随温度的变化以及微孪晶、层错等的形成机制。其中给出了a/6<112>不全位错剪切γ′相形成超点阵外禀层错(SESF)的一种原子互换扩散模型,解释微孪晶的形成过程,为进一步研制高性能水平的新型镍钴基高温合金提供参考。

热处理对增材制造TS5镍基高温合金组织与性能的影响

采用选区激光熔化(Selective laser melting,SLM)技术制备TS5镍基高温合金,通过不同保温温度、升温速率和保温时间的热处理工艺,分析了热处理对SLM成形TS5合金的显微组织和力学性能的影响。结果表明,沉积态TS5合金裂纹占比0.07%,平均晶粒截面粒径为66.94μm,具有低的打印成形开裂倾向与稳定的成形组织。沉积态TS5合金以0.1℃/s升温至900℃时,γ′相在升温过程中析出。而较快的升温速率可以抑制TS5合金在升温过程中γ′相的析出,特别是当升温速率大于50℃/s时,γ′相的析出被完全抑制。在850℃下分别保温10、60、240 min时,γ′相体积分数分别为26.2%、37.7%和47.1%,析出量逐渐增加;γ′相尺寸分别为22.2、40.5、58.9 nm。拉伸测试显示,沉积态TS5合金随着热处理温度升高,抗拉强度逐步降低,650℃与750℃的屈服强度分别为873 MPa和768 MPa;850℃和950℃的拉伸过程出现脆断现象。电子背散射衍射(Electron back-scatter diffraction,EBSD)发现裂纹主要出现在大角度晶界处。综上所述,合理的快速升温配合短时保温有利于避免升温过程的相变内应力,有效提升晶界强度,对SLM成形TS5合金避免热处理过程的畸变开裂至关重要。

GH4096合金固溶冷却方式对性能和残余应力的影响

为了在保证GH4096合金主要力学性能的前提下,降低薄壁类零件用锻件的内部残余应力,提高零件加工过程的尺寸控制精度,研究空冷,风冷,油冷,盐浴等固溶冷却方式对GH4096合金环锻件析出相的尺寸和形貌、主要力学性能和内部残余应力的影响。结果表明:与采用传统油冷的试件相比,空冷试件的二次、三次γ′相较为粗大,蠕变性能和高温拉伸性能有较大幅度的降低,风冷试件的二次γ′相尺寸略有增大,三次γ′相尺寸相当,蠕变性能和拉伸性能有小幅降低,盐浴冷却试件的二次、三次γ′相尺寸相当,蠕变性能和拉伸性能相差较小。采用风冷的试件内部残余应力可控制在±100 MPa以内,比油冷和盐浴冷却的试件降低50%以上。GH4096合金环件固溶处理冷却方式采用风冷与传统的油冷和盐浴冷却方法相比,可以明显降低锻件内部残余应力,蠕变和高温拉伸等性能只有小幅降低,有助于改善GH4096合金薄壁零件冷加工过程的变形问题,提高尺寸控制精度。

高温合金锻件残余应力量化表征及控制技术研究进展

残余应力是在没有外力的作用下,仍以平衡状态存在于物体内部的应力,主要源于制备过程中不均匀的塑性变形。高温合金层错能低、回复困难,因此相对于其他金属材料来说,残余应力易累积、难释放、控制难度大,并由此导致了后续加工和使用过程中的各类问题。本文从高温合金锻件残余应力的形成和演化机理出发,综述了铸-锻-热处理-机加工-焊接等工艺中残余应力测试表征、数值模拟、优化控制等方面的研究进展,并重点介绍了多尺度残余应力与高温合金中析出相变的交互作用行为,及残余应力对高温合金锻件服役性能的影响,并在此基础上展望了合理预置并利用残余应力的可能性。

激光粉末床熔融技术中铺粉致密度的影响因素研究

激光粉末床熔融(LPBF)技术具有成形精度高、表面粗糙度低、成形件性能优异等特点,是目前金属增材制造领域中应用最广泛的一种成形技术。其中,铺粉过程作为LPBF技术的关键环节,粉末床铺粉质量对铺粉致密度及成形件性能具有重要影响,基于此,本文综述了LPBF技术中铺粉致密度的影响因素。首先,总结了粉末床铺粉质量的表征评价方法,如图像分析法、X射线原位监测法和取样器法等。在此基础上,从粉末特征和铺粉工艺出发,分别阐述了粉末粒度、粉末形貌、粉末制备方法、粉末再循环及铺粉工艺参数对粉末床铺粉致密度的影响规律。其中,粉末的粒度分布和形貌是影响铺粉致密度关键因素,较宽的单峰分布和粗细颗粒混合的双峰分布有利于提高粉末堆积密度。粉末的形貌越接近球形,粉末流动性越好,越有利于提升粉末铺展性和铺粉均匀性。粉末堆积密度和铺粉均匀性共同作用将提升粉末床铺粉致密度和成形样品的致密度。铺粉工艺条件的变化可以影响粉末床的铺粉质量及密度,其中控制合理的铺粉速度、选用滚筒类型的刮刀和增大基体的粗糙度将进一步提升粉末床的铺粉致密度。最后,本文对进一步提升粉床的铺粉致密度的方法和技术进行了展望。

一种新型镍基变形高温合金“孪晶+γ’相”组织调控及高温力学性能研究

本研究采用形变热处理的方法在新型镍基变形高温合金中构筑了“孪晶+γ’相”复合结构,并结合EBSD和SEM表征技术探讨了孪晶与γ’相的演变规律。同时,研究了合金在760℃下的高温力学性能。结果表明,“孪晶+γ’相”复合结构可以有效改善合金的高温力学性能,且随着退火孪晶长度分数的增加,孪晶片层厚度增加,材料的高温强度呈降低的趋势;当轧制态合金(ε=68%)在1120℃退火15 min并进行双级时效处理(650℃/24 h/AC和760℃/16 h/AC)后,“孪晶+γ’相”复合结构中退火孪晶的长度分数为25.38%,γ’相的平均尺寸为32.21nm,此时,合金的屈服强度从固溶态的775 MPa提高到了1184 MPa,断后伸长率从3.18%提高到了18.96%。通过构筑“孪晶+γ’相”复合结构可以有效提高高温合金的高温力学性能,这为高温力学性能的提升提供了一种新策略。

固溶后冷却速度对GH4169合金组织和力学性能的影响

固溶后冷却速度会显著影响高温合金的使用性能,采用场发射扫描电镜、热膨胀实验以及洛氏硬度等方法对GH4169合金固溶后不同冷却速度的显微组织和力学性能进行了系统研究。随着冷却速度的增加,γ″相和δ相的析出开始温度和终止温度逐渐降低,析出转变时长显著减小,并由此导致:固溶冷却态合金内γ″相的尺寸逐渐减小,尺寸分布模式由“双峰”变为“单峰”。当冷却速度快于20℃/min时,固溶态合金中无法观测到γ″相颗粒,且δ相的形貌与初始锻态保持一致。随着冷却速度的增加,时效热处理后晶内γ″相逐渐变得细小且弥散,合金的洛氏硬度呈现单调递增的趋势。

镍基高温合金在变形热处理过程中的组织和织构演变

采用电子背向散射衍射技术研究了镍基高温合金冷变形和再结晶退火过程中的组织演变、晶界特征分布、应变分布及织构演变规律。结果表明,当冷变形量较小(ε≤45%)时,晶粒沿着轧制方向被拉长,呈扁平状于基体中均匀分布,应力主要集中在晶界和孪晶界(TB)附近,大角度晶界(HAGBs)和TBs逐渐向亚晶界(Sub-GBs)和小角度晶界(LAGBs)转变。同时,出现Goss织构{110}<001>、Brass-R织构{111}<112>、Twinned-Copper织构{552}<115>和Copper织构{112}<111>。当轧制压下量超过70%时,晶粒形状逐渐从扁平变为纤维状,晶粒的变形均匀性逐渐变好,应变分布变得均匀,LAGBs开始占主导地位。同时,织构类型保持不变,但织构强度增加。在1120℃退火15 min后,孪晶的长度分数随着轧制压下量的增加而增加。同时,变形织构转变为再结晶织构,织构类型增加,但织构强度减弱。此外,当退火孪晶的比例增加时,Copper织构{112}<111>不断向Twinned-Copper织构{552}<115>转变,并且经过30%~80%轧制变形的试样产生织构{124}<211>。

三联冶炼GH4169合金研究进展

三联冶炼技术的突破促进了我国GH4169合金盘锻件全流程制备技术的优化。本文综述了GH4169合金的化学成分、三联冶炼技术、开坯技术、锻造技术、残余应力控制、质量控制体系等方面的研究进展。三联冶炼技术的突破提高了GH4169合金的纯净度,降低了冶金缺陷概率;镦拔+径锻联合开坯提高了GH4169合金棒材组织均匀性和成材率;残余应力控制技术降低了GH4169合金盘件加工和服役过程中的变形量。此外,本文讨论了GH4169合金在超高强度、超大尺寸、高耐蚀性能和抗氢脆等研究中存在的难题,并对未来工作方向进行了展望。

气雾化制备18Ni250钢粉体的数值模拟与试验验证

真空感应熔炼气雾化(VIGA)工艺具备细粉收得率高、高效率以及低成本等优点,是目前增材制造用粉体制备最为通用的工业技术。由于超声速流场冲击液滴形成粉体的雾化过程机理复杂,粉体质量与细粉收得率难以兼顾是关键技术问题之一。数值模拟通过可视化展示氩气流场和金属熔体破碎的过程,有助于分析VIGA工艺中超声速流场冲击液滴形成粉体的复杂机理。首先通过数值模拟对VIGA工艺的氩气流场、金属熔体破碎过程进行可视化分析,结合试验研究气雾化参数对细粉收得率以及粉末形貌的影响。主要的气雾化参数为气体压强(4、5 MPa)、气体温度(300、373、423 K)、熔体漏眼直径(5 mm)、熔体温度(1873 K)。研究结果表明,气体压强升高、气体加热可以明显提升超声速氩气流速度,模拟结果给出的最优参数为雾化气体压强5 MPa、气体温度423 K。机理分析发现,上升气流是金属熔体在一次雾化时的主要作用气流,作用为液膜拓展至初始液滴形成;初始液滴在超声速气流交叉冲击区进行二次雾化,液滴破碎后冷却形成粉末。采用最优工艺参数进行试验,实际细粉收得率可达到约66.59%,制备的粉末球形度良好。此外,雾化气体加热对粉体表面熔覆氧无明显影响。为开发18Ni马氏体时效钢材料及相应的气雾化制粉工艺提供技术支持,有望提高雾化效率和粉末性能。

中温轧制对新型镍基高温合金微观组织和高温力学性能的影响

合金的微观组织与加工方法有关,并进一步决定了合金的力学性能。基于此,采用EBSD、SEM、TEM和准静态高温拉伸试验研究了不同中温轧制变形量与新型镍基高温合金微观组织和高温(760℃)力学性能之间的内在联系。中温轧制变形量的增大会显著提高合金的高温力学性能:相比于固溶+双级时效处理试样的高温力学性能(σ_(y)=860 MPa,σ_(uts)=973 MPa和ε_(f)=3.5%),当中温轧制变形量为10%时,合金的σ_(y)提高了230 MPa,σ_(uts)提高了166 MPa,ε_(f)变化不明显,为4.1%;而当中温轧制变形量为80%时,合金的σ_(y)提高了190 MPa,σ_(uts)提高了165 MPa,ε_(f)大幅度增加,为22.5%。微观组织分析表明,随着中温轧制变形量的增加,合金的主要变形机制由孤立层错剪切向微孪生转变,微孪晶的形成既保证了合金的高温强度,又有利于延伸率的提高,是实现合金高温强塑性匹配的主要原因。本研究为获得良好高温强塑性匹配的镍基高温合金提供了一种新策略。

一种新型镍基高温合金的动态再结晶行为

采用等温热压缩实验研究了一种新型镍基高温合金在不同热变形条件下(变形温度1040~1120℃、应变量0.35~1.2、应变速率0.1 s^(-1))的动态再结晶行为。通过光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)和电子背散射衍射仪(EBSD)研究变形温度和应变量对合金热变形过程中组织演变和动态再结晶(DRX)形核机制的影响。结果表明,根据加工硬化率曲线能够准确确定DRX出现的临界应力和临界应变。合金的DRX晶粒体积分数随变形温度和应变量的增加而增加。在高温低应变速率下,不连续动态再结晶(DDRX)和连续动态再结晶(CDRX)形核机制同时发生。随着变形温度的升高,CDRX形核机制减弱,而CDRX机制在高温条件下占据主导。随着应变量的增加,合金中DDRX机制逐渐变强。热变形后期,CDRX仅作为辅助形核机制发挥作用。另外,Σ3孪晶界的形成有助于DRX晶粒的形核。

热处理对选区激光熔化成形Ti_(2)AlNb合金组织和力学性能的影响

通过激光选区熔化成形工艺制备Ti-22Al-25Nb合金,在此基础上研究不同热处理制度对微观组织组成、形貌及其力学性能的影响规律。结果表明,打印成形态的Ti-22Al-25Nb合金组织具有明显的横纵向差异,呈现沿Z轴向外延生长的柱状晶特征,微观组织组成主要为B2相,晶界和晶内均无明显α_(2)和O相析出。当热处理温度升高至1080℃后会发生柱状晶向等轴晶转变,由于晶界对协调塑性变形和抵抗裂纹扩展能力较差,导致其强度较低、塑性较差;在O+α_(2)+B2三相区960℃热处理,可保持柱状晶的形貌特征,晶内二次析出O相板条的尺寸主要与时效温度有关,O相析出尺寸随时效温度降低而减小,弥散析出的多尺度O相起主要强化作用,连续的B2相基体有利于塑性变形,晶界不连续析出相有利于协调塑性变形和抵抗裂纹沿晶扩展,HT2和HT3制度的强度和伸长率更高,断口也呈现明显的韧性断裂特征,最终优选960℃/2 h+820℃/6 h的热处理制度组合,室温拉伸性能可达到Ti_(2)AlNb锻件的力学性能水平。