IN718高温合金的新型热控凝固工艺优化

针对高温合金复杂薄壁铸件易出现欠铸、晶粒粗大和疏松等问题,开发了一种以“低温浇注、高温充型、顺序凝固”为特征的新型热控凝固工艺,研究了在1 380℃浇注温度下模壳温度(1 260~1 350℃)和抽拉速度(6~48 mm·min^(-1))等工艺参数对IN718高温合金圆柱试样组织的影响,并在优化工艺下进行了复杂薄壁特征结构件的成形试验。结果表明:随着模壳温度升高,试样的晶粒尺寸从2.33 mm增加到7.46 mm,且组织均匀性变差,断面等轴晶比例由98%降低到41%,疏松数量减少,尺寸减小。随着抽拉速度增大,晶粒尺寸从3.66 mm减小到2.69 mm,疏松数量增加,尺寸增大;当抽拉速度不小于24 mm·min^(-1)时,组织均匀性较好。最优工艺为模壳温度1 290℃、抽拉速度24 mm·min^(-1),采用该工艺可制备得到晶粒尺寸为0.81 mm、疏松面积分数仅为0.2%、最小壁厚为1.8 mm的IN718高温合金大面积薄壁特征结构件。

Cu/V复合中间层对TC4/IN718激光焊接接头组织及性能的影响

为了实现TC4钬合金与GH4169镍基高温合金的有效连接.采用Cu/V复合中间层对TC4和IN718合金进行连续激光焊接,并分析添加中间层对接头裂纹、组织及力学性能的影响机制.结果表明,常规激光焊接时,TC4/IN718接头焊缝区产生大量Ti-Ni脆性金属间化合物,导致接头形成大量纵向裂纹,焊缝组织为Ti(s,s)+Ti_(2)Ni+Ti-Cr+NiTi+Ni_(3)Ti+Cr(s,s).当采用Cu/V复合中间层后,实现了TC4与IN718合金的有效连接,接头抗拉强度达到271MPa,焊缝组织转变为Ti(s,s)+V(s,s)+NiV_(3)+Cr(s,s)+Cu(s,s)+未熔铜。

球形弹丸高速冲击IN718合金板的变形与破坏模式

为研究IN718镍基高温合金在高速冲击作用下的抗侵彻能力,采用直径为5 mm的304不锈钢球形弹丸,利用二级轻气炮试验装置对IN718靶板进行了一系列弹道冲击试验。通过高速摄像机进行拍摄,弹丸的入射速度范围为548.2~1067.0 m/s。对弹丸的剩余速度进行了测量和分析,并对弹道极限速度进行了验证,观察了靶板的变形和破坏模式以及弹孔直径。结果表明:在试验冲击范围之内,随着冲击速度的升高,靶板的变形模式由撕裂破坏到剪切破坏转变,靶板的穿甲破坏模式与冲击速度密切相关;靶板能量吸收效率随弹丸初始动能的增加而降低,且趋于常值0.7;靶板变形挠度随着冲击速度的升高呈减小趋势,且最大变形挠度出现在弹道极限附近;靶板正面和背面所形成的弹孔直径均随着冲击速度的升高而增大,且背面所形成的弹孔直径大于前面所形成的弹孔直径。

钛铝含量对IN718合金激光增材试样组织性能的影响

为提升激光增材IN718合金部件的力学性能和服役温度,按梯度增加Ti+Al含量制备了五种改进型IN718激光增材样品,采用万能实验机、SEM、XRD和JMatpro软件等研究了样品的常温和高温力学性能及组织结构。结果表明,随着Ti+Al含量的增加,γ′相占比逐渐上升,样品室温强度增大而延伸率明显下降。当Ti+Al含量增加到7.6%时,样品中的γ′析出相占比是γ相的5倍,硬度为55.6 HRC,因脆性相的大量析出导致裂纹萌生;经1 100℃×1 h+850℃×8 h热处理后的样品在850℃时的强度随Ti+Al含量的增加先升高后降低,Ti+Al含量为5.6%时其高温屈服强度和延伸率达到最大值,分别为553 MPa和12%,且各向同性,此时γ′析出相和γ相占比接近,分别为41.5%和39.9%。在后续研究中,可将标准IN718合金中的Ti+Al含量提高到5.6%,恰当利用γ′强化获得优良的高温力学性能和激光增材工艺相容性。

IN718激光熔覆Co-WC/Cu复合涂层组织与摩擦学性能研究

为提高IN718高温合金运动部件在极端环境中的服役寿命,采用激光熔覆在其表面制备了Co (S1)、Co-5%WC-5%Cu (S2)和Co-5%WC-15%Cu (S3)(质量分数)这3种耐磨减摩复合涂层,系统分析了复合涂层的显微硬度以及室温(RT)和600℃环境中的摩擦学性能.结果表明:溶解的WC重新凝固析出碳化物,起到第二相强化的作用,未溶解的WC边缘析出针状物与Co基基体稳固结合.在室温下Cu可以充当固体润滑剂(Cu膜),在600℃下由CuO氧化膜以及Cu膜起减摩作用. 3种涂层的显微硬度均是基体(268.89HV0.5)的1.7倍以上,分别是478.69HV0.5、481.73HV0.5和458.51HV0.5.摩擦学性能明显优于基体,其中S2涂层在室温和600℃环境下均拥有优异的耐磨性,分别提高84.4%和64.9%,减摩效果最好的是S2涂层(RT)和S3涂层(600℃),分别提高26.9%和26.7%.室温下3种复合涂层的磨损行为由氧化和疲劳磨损主导,600℃时由氧化和黏着磨损主导.

IN718合金多道熔覆热循环特性模拟及实验验证

为了揭示激光熔覆过程的热量累积特性及规律,利用ANSYS软件对IN718高温合金多道熔覆涂层制备过程热循环进行模拟。通过构建“T”型高斯复合热源并开发ANSYS APDL程序再现激光熔覆过程,获得涂层温度分布及热循环特性。结果表明:熔覆涂层高温区域以半椭球形快速扩散,跟随“弓”字型路径产生热累积;在扫描方向上,各节点最高温度(2309.26℃→2417.15℃→2454.58℃)呈非线性缓慢升高的趋势;以“弓”型路径熔覆会在搭接折弯处显著储能,对已熔涂层造成了重复加热或重熔;在结合界面上,中间道次熔覆时涂层热源生热与热传导具有对称性,使介面温度高于金属粉末材料熔点。采用红外热像测温法对熔覆过程进行监测,监测结果与模拟结果基本吻合,为熔覆工艺优化与涂层微观组织调控提供了理论依据。

IN718高温合金表面Si改性铝化物涂层1000℃的氧化行为和微观组织演变

涡轮叶片的使用温度升高将严重降低镍基高温合金IN718的力学性能,高温合金表面需要制备抗氧化涂层来抵抗高温氧化和腐蚀的危害。本文系统研究了简单和Si改性铝化物涂层在1000℃下氧化200 h的微观结构演变。由于尖晶石NiCr_(2)O_(4)相和挥发性Cr_(3)O相的形成,IN718高温合金经氧化后发生严重剥落和失效。对于简单铝化物涂层,稳定的α-Al_(2)O_(3)氧化膜显著提高了抗氧化性,在氧化100~200 h时仅增重0.1 mg/cm^(2)。Si改性铝化物涂层由于外部涂层中存在Cr_(9.1)Si_(0.9)相并具有最大晶粒尺寸,表面快速形成了稳定的SiO_(2)氧化膜,产生较好的保护作用,内部形成的Al_(2)O_(3)氧化物与涂层形成钉扎效应,有效地防止氧化膜分层。Ni_(3)Si相的形成和生长产生了微裂纹,导致在氧化100~200 h时其增重率超过简单铝化物涂层,表明有效调节硅含量对于延长涡轮叶片的使用寿命至关重要。

热处理工艺对140 ksi等级In718合金组织与性能的影响

研究了热处理工艺对140 ksi等级In718合金组织与性能的影响。固溶温度采用1023、1030、1050℃三个温度,时效温度采用760、780、800℃三个温度,交叉试验共9组试验数据。然后对经不同热处理工艺后的合金试样进行室温拉伸、-60℃夏比V型冲击、硬度、晶粒组织等指标进行测试,并对断口组织和析出相进行分析。研究表明,随着固溶温度升高,In718合金强度降低、塑韧性升高,晶粒尺寸增大、δ相量减小;相同固溶温度下,随时效温度升高,In718合金强度降低、塑韧性升高,时效温度对晶粒尺寸无影响,γ″相的形貌由颗粒状、球状逐渐粗化为针状,γ″相数量也呈现减小趋势。其中,在1023℃固溶处理和760℃时效处理后合金的综合性能最佳,抗拉强度、屈服强度、塑性、冲击韧性等指标匹配达到最好水平。

电磁辅助激光熔覆IN718/WC复合涂层组织及性能

采用电磁复合场辅助激光熔覆制备IN718/WC复合涂层,系统地研究了涂层的宏观结构、微观组织、显微硬度和耐磨性能.结果表明,电磁复合场形成向下的安培力,增强了熔池中的Marangoni对流.增强的Marangoni对流使WC颗粒均匀分布在复合涂层中.然而,过度的Marangoni对流会导致WC颗粒从熔池中逸出,尤其是小的WC颗粒.20 mT稳态磁场与100 A直流电组合效果较好.WC颗粒在熔池中分解,形成亚微米共晶碳化物、羽毛状共晶碳化物和等轴共晶碳化物.其分解程度与WC颗粒的空间位置和颗粒之间的距离有关.颗粒的空间位置越高(相对于熔池),颗粒间的距离越大,分解越严重.此外,直流电提高了共晶碳化物的形核率,增强的马兰戈尼对流打断了长柱状共晶碳化物,这些作用共同细化了涂层的微观结构.在该复合场(20 mT,100 A)作用下,硬质相的衍射强度最高,涂层平均显微硬度为530 HV0.2,大于无能场下制备的涂层(400 HV0.2),缓解了涂层摩擦磨损过程中的黏着磨损形式.

纳米压痕测量因素对IN718力学行为测试结果的影响

采用试验测试与有限元模拟相结合的方法,研究纳米压痕测量因素对IN718合金力学行为的影响。结果表明,对于IN718材料,存在明显的压痕尺寸效应,随着压入深度的增加,硬度逐渐降低,且在压入深度达到1000 nm之后硬度值的变化趋于稳定;当试样厚度与压入深度之比(“厚深比”)≥20之后,载荷位移曲线趋于一致,推荐最佳“厚深比”为20;摩擦系数对压痕的载荷-位移曲线几乎没有影响,但会影响压痕表面堆积轮廓,随着摩擦系数的增加,压痕表面材料的堆积逐渐减小,当摩擦系数达到0.2之后,表面材料堆积的减少逐渐趋于稳定;被压试样表面倾斜角对压痕的载荷-位移曲线有一定影响,倾斜角在5°以内时,压痕的载荷-位移曲线差别不大,峰值载荷最大误差均在5%以内,即可认为倾斜角≤5°时误差在可接受范围内。

选区激光熔化IN718合金固溶过程成分均匀化规律的研究

选区激光熔化技术具有成形自由度高、成形精度高、成形效率高的优势,在高温合金的曲面结构的制造中具有巨大的应用潜力。本工作采用选区激光熔化技术制备IN718合金,并对合金进行不同条件下的固溶热处理,利用SEM、TEM以及XRD等多种手段研究了沉积态合金中的成分偏析、析出相的分布、固溶过程中成分均匀化的规律、最短固溶时间和固溶温度之间的函数关系,以及固溶冷却过程中析出相的形成过程。结果表明:合金制备过程中较快的凝固速率使得合金在晶界处及亚结构的边界处产生了Nb、Ti元素的成分偏析带,偏析带的厚度约为50 nm,并且在成分偏析带形成了Laves相和MX相。在高于980℃的条件下对沉积态合金进行固溶处理,成分偏析带回溶,最短固溶时间与最低固溶温度的关系为:t=1/3167·exp (21597/T)。固溶后较低的冷却速率会使合金中产生γ″相,增加合金的硬度。

重熔扫描对激光选区熔化成形IN718孔隙缺陷的影响

激光选区熔化技术以其一体化制造特点和对于复杂零部件制造的优势,在航空工业领域受到广泛关注,然而孔隙缺陷在成形零件中始终不可避免,通常有未完全熔合缺陷、气孔和封闭匙孔三种。针对零件成形过程中形成的孔隙缺陷,探索三种不同重熔扫描策略的最优成形工艺参数,并对重熔消除孔隙的机理进行了分析。研究表明,使用高于初次扫描的功率进行重熔能够形成足够深度的熔池以消除熔道内部孔洞,且重熔工艺还能提高成形样件的塑性性能。

激光重熔对In718熔覆层组织与性能的影响

为了解决激光熔覆In718合金力学性能差的问题,选择不同的扫描速率对In718合金熔覆层进行了激光重熔处理,采用光学显微镜、扫描电镜和能谱仪观察显微组织结构和特征,检测不同物相的成分并分析微观偏析对显微组织的影响,通过力学检测设备对涂层的显微硬度与抗拉强度进行检测。结果表明,Laves相主要由Nb与Mo元素的偏析所导致,与未重熔相比,重熔后的涂层气孔明显减少,且不同的重熔扫描速率对组织与性能的影响也不同,4个涂层的Laves相体积分数由34.1%减少至24.6%、16.7%和19.6%,平均硬度由250.3 HV提高至261.5 HV、276.9 HV和268.0 HV,抗拉强度由678 MPa提高至728 MPa、879 MPa和808 MPa,而重熔对涂层延伸率的影响不明显;最优的重熔扫描速率为15 mm/s,Laves相的体积分数最低,平均显微硬度和抗拉强度最高;激光重熔能有效改善熔覆层的形貌、降低孔隙率、减少或抑制Laves相的析出,并且减少Laves相有助于提高In718合金的力学性能。此研究为后续的离心球墨铸管模具的再制造奠定了理论基础。

In718合金激光粉末床熔融悬垂结构成形数值模拟与实验研究

针对激光粉末床熔融(LPBF)成形中点阵倾斜支杆的悬垂打印质量问题,以In718悬垂熔道为研究单元,建立三维介观数值模型.基于离散单元法在建模软件EDEM中建立粉末床模型,基于有限体积法在Flow-3D中实现LPBF熔道成形过程,通过数值模拟分析激光-粉末颗粒相互作用的流动、传热、熔化、凝固过程.结果表明,实体-粉末交界区域容易出现不连续的熔道,改善工艺参数可以提高该区域熔道成形的连续性.在低能量密度(44.19 J/mm^(3))下,施加高激光功率(300 W)不会产生匙孔缺陷,能够以比低激光功率(87.5 W)更强的马兰戈尼流动、更快的熔池流动速度填充不连续点,提高实体-粉末交界区域的熔道连续性.

激光选区熔化成形316L/IN718混合粉末工艺研究

为获得高致密度的316L/IN718混合金属粉末零件,基于激光选区熔化(SLM)技术,分别选取不同的激光扫描速度和扫描间距,通过单熔道实验、单层实验以及块体实验探究了316L/IN718混合金属粉末的成形工艺。实验结果表明:单熔道实验当0.54 J/mm≤激光线能量密度(L)≤0.76 J/mm时,熔道成形效果较好。当激光功率P=200 W、扫描速度v=280 mm/s、扫描间距=0.12 mm时,可获得致密度为99.99%的块体,拟合得到激光体能量密度-相对致密度关系,该工艺研究具有应用和推广价值,为实现成形梯度功能材料提供了重要的实验数据和技术支撑。

送粉速率对IN718熔覆涂层拉伸性能的影响

采用单因素变量法,保持扫描速度22 mm/s、激光功率1800 W和光斑直径φ2 mm,研究送粉速率分别在18、20、22 g·min^(-1)条件下IN718熔覆涂层截面形貌、显微组织、拉伸性能及其断口特征。结果表明:随着送粉速率的增加,熔覆层的组织晶粒尺寸先减小后增大。送粉速率20 g·min^(-1)时,熔覆层中部、下部组织由具有方向性的小尺寸(30μm以下)柱状晶和树枝晶构成,此时制备试件的拉伸性能最优,其屈服强度与基材相近、抗拉强度高于基材,两个强度值分别为(1047±45)MPa和(1245±54)MPa,而杨氏模量、伸长率依次为(185±3)GPa、(7.1±0.3)%,拉伸断口呈韧性断裂特征,具有较好的塑性。

IN718合金民航发动机盘锻件的研制

设计了IN718合金民航发动机盘锻件的制造工艺,包括镦粗、模锻、固溶和时效处理及附加热处理。对锻件镦粗和模锻过程中累积的应变场以及模锻过程中锻件的温度场和应变场进行了数值模拟。试制了IN718合金盘锻件,检测了锻件的室温和高温力学性能和晶粒尺寸。结果表明:盘锻件的平均晶粒度为ASTM No.10.5~12;室温、650℃抗拉强度和屈服强度分别为1478 MPa和1255 MPa,1207 MPa和1106 MPa,其他力学性能均满足要求;试制的盘锻件质量也符合要求。

IN718高温合金热腐蚀行为及其对力学性能的影响

研究了IN718高温合金在650℃下的熔盐(75%Na2SO4+25%NaCl)热腐蚀行为及其对合金力学性能的影响。研究表明,IN718合金热腐蚀层分为两层,外层由Fe3O4,FeCr2O4和Cr2O3等氧化物组成,内层由Ni和Ni的硫化物组成。热腐蚀过程中S沿晶界快速扩散并在晶界形成硫化物。IN718合金在650℃,100h浸盐热腐蚀预处理后,室温拉伸性能和650℃拉伸强度变化不大,合金在650℃拉伸塑性略微降低,但650℃,700MPa持久性能显著降低,其主要原因是S降低晶界强度,同时外加应力提高腐蚀速率。

变能量激光选区熔化IN718镍基超合金的成形工艺及高温机械性能

开展了基于激光选区熔化技术对IN718镍基超合金直接激光熔化成形的研究。将零件分为心部与轮廓区,通过改变激光线输入量进行选区熔化研究。首先,建立熔池内烧结的数值模型,改变激光线输入量,获得了激光线输入量对零件致密度的影响规律并观察了成形体中的组织生长。然后,增加轮廓部位扫描,改变激光线输入量与扫描顺序,获得其对零件表面质量的影响规律。最后,通过优化热处理工艺提高零件高温拉伸强度和高温持久性能。试验结果表明,在激光线输入量为300J/m时,成形体致密度最高,为98.9%,成形体沿层间方向组织为树枝晶加等轴晶,在层内方向组织为等轴晶。采用心部+后轮廓扫描的方式,轮廓激光线输入量为100J/m时表面质量最优,粗糙度为3.1μm。对成形体采用1 065℃固溶+双时效的热处理可以获得最佳高温性能组合,高温拉伸强度为1 356MPa,高温持久时间为34h。结果显示,通过激光选区熔化制作IN718镍基超合金可以满足航空结构件对致密度、表面质量和高温性能要求。

磷含量对IN718合金持久和蠕变性能的影响

研究了不同含量的磷在IN718合金中的作用。结果表明 ,磷对持久和蠕变性能有显著的影响 ,可提高IN718合金晶界抗蠕变开裂的能力。将磷含量由 0 .0 0 3%提高至 0 .0 3% ,持久寿命先是增加而后降低 ,并在含磷0 .0 2 5 %处达到持久寿命峰值。磷对应力指数影响不大 ,但对表观蠕变激活能影响显著。磷的有益作用主要来自于抑制晶界扩散和改善晶界δ相。