GH4169合金塑性加工成形与组织调控方法综述

针对高温合金零部件的精密成形制造由于工艺复杂、成形效率和精度低,其微观组织、力学性能及成形精度难以协同控制的问题,采用组织调控和成形工艺优化作为实现高温合金零部件成形成性一体化制造的有效手段。作为一种高温稳定相,δ相常出现于塑性变形及热处理过程中,其析出量与形貌影响合金的微观组织及力学性能。因为零件结构及服役条件的差异,所要求的组织、性能和采取的制备工艺也不尽相同。介绍了环类、盘类及叶片类3类典型的GH4169合金零件的塑性加工技术,同时引出δ相在其中起到的作用,继而对δ相的析出、球化和溶解等演化行为及其对合金变形行为和力学性能的影响进行了阐述与总结。

激光增材制造与连接GH4169合金的热处理工艺研究

采用激光增材制造技术制备了GH4169合金母材样品,并采用相同的工艺参数实现了母材的激光增材连接,检测了不同热处理状态下合金的拉伸性能,分析了性能改变的内在机理。结果表明:凭借激光增材制造技术热影响区小的优势,热处理前后母材与连接区域处微观组织的演变基本一致。沉积态合金呈典型的柱状晶组织,且二次枝晶并不发达,γ+Laves共晶相呈条带状和岛链状沿晶界分布;均匀化+固溶处理后Laves相发生分解并回溶入基体,并伴随着柱晶的粗化;当进行双重时效处理时Laves相的分布状态发生改变。不同热处理工艺试样的拉伸性能均高于同合金铸态指标,热处理对Laves相的含量和分布状态的改变是影响其强度和塑性的主要因素。

激光冲击与热处理复合处理对GH4169合金抗高温氧化性能的影响

为评估GH4169合金在服役工况中的抗高温氧化行为,对激光冲击强化(laser shock peening,LSP)、热处理和激光冲击强化与热处理复合工艺下GH4169合金进行抗高温氧化性能测试.使用透射电子显微镜(TEM)对各处理下GH4169合金的微观形貌进行分析,并通过X射线衍射(XRD)表征其氧化物组成,采用扫描电子显微镜(SEM)和X射线能谱仪(EDS)对高温氧化后试样的表面形貌、截面形貌以及氧化产物成分进行分析.研究结果表明,激光冲击诱导的位错和晶粒细化加速了前期氧化膜的形成,同时热处理作用下产生的析出相抑制了针状尖晶石的产生,使得复合工艺下的氧化膜更加连续致密,最终结合氧化动力学曲线揭示了经激光冲击强化和热处理复合处理后氧化膜的生长机制.

GH4169合金DP工艺中的热变形行为及应变补偿本构模型

针对GH4169合金的Delta工艺(delta process,DP),以δ时效处理后的GH4169(delta processed GH4169,DP-GH4169)合金为研究对象,用Gleeble-3800热/力模拟试验机在温度为954~996℃和应变率为0.005~0.1 s^(-1)下对DP-GH4169合金进行等温恒应变率压缩试验,分析其热变形行为。基于Arrhenius模型和考虑应变对材料参数的影响,建立DP-GH4169合金的应变补偿本构模型。结果表明:DP-GH4169合金热变形中的主要软化机制为动态再结晶和片层状δ相球化;当应变率高于0.01 s^(-1)时,合金发生了不连续屈服行为;当应变大于0.8后,由于加工硬化作用大于软化作用,流动应力和变形激活能随应变增大而增大;建立的应变补偿本构模型具有较好的预测精度,线性相关系数R和平均相对误差分别为0.9915和4.2498%,能用于表征DP-GH4169合金热变形时的流动应力。

650℃/500 MPa应力时效对GH4169合金板材组织及室温拉伸性能的影响

对固溶+时效处理的GH4169合金板材分别进行了不同时间的应力时效和无应力时效处理,采用光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)和电子万能试验机等分析了不同应力时效处理后合金的显微组织和室温拉伸性能。结果表明:应力对GH4169合金板材的显微组织无明显影响,经过应力时效和无应力时效处理后γ″相仅发生略微粗化,尺寸由19.02 nm增长至23 nm左右,仍为圆形颗粒状形貌。无应力时效处理对板材的室温拉伸性能基本无影响,这是由于GH4169合金板材的室温变形机制为位错做剪切γ″相运动,板材经无应力时效处理后γ″相的尺寸与经固溶+时效处理的γ″相的尺寸相当,位错剪切γ″所需的应力相当使得室温拉伸性能未变化。随应力时效时间的增加,板材的室温拉伸强度逐渐降低,室温拉伸塑性逐渐增加,这是由于应力时效过程中板材已发生残余塑性变形,位错已切入γ″相,后续室温拉伸过程中,位错再次剪切γ″相所需的应力减小进而导致板材室温拉伸强度降低,拉伸塑性增加。

GH4169合金激光选区熔化成形工艺与缺陷特征的相关性

通过改变激光选区熔化成形工艺,即激光功率和扫描速度,制备多个GH4169试样。采用金相法观察显微组织及其内部缺陷的形貌与分布,采用X射线断层成像获得试样孔隙率,并统计分析缺陷三维特征,研究成形工艺与缺陷特征的相关性。结果表明:当能量输入密度为59.1 J/mm^(3)的优化工艺时成形试样中互相搭接的熔道形貌齐整、随机分布的规则气孔尺寸小于30μm、致密度高达99.9998%。在较窄的工艺窗口下(220~300 W、700~1300 mm/s),试样致密度对扫描速度更为敏感,高扫描速度易形成分布在熔道搭接区内极不规则的未熔合。偏离优化工艺时,缺陷数量增多,部分缺陷尺寸大于30μm,其中高激光功率形成的气孔形状或高扫描速度形成的未熔合形状都与各自的尺寸密切相关,即尺寸越大,形状越不规则,产生的不利影响要远大于规则气孔。

原位拉伸研究热处理对激光选区熔化GH4169合金组织及650℃力学性能的影响

研究热处理制度对激光选区熔化成形GH4169合金组织及高温力学性能的影响。通过自主研发的SEM原位加热拉伸测试平台,探究热处理前后650℃合金力学性能变化与动态组织演变的关系。结果表明:热处理后合金的晶粒形态由柱状晶转化为等轴晶,Laves相溶解,析出大量γ′和γ′′强化相;在650℃下,沉积态合金的屈服强度和抗拉强度分别为574 MPa和740 MPa,热处理态(HSA态)合金的屈服强度和抗拉强度分别为818 MPa和892 MPa,较沉积态分别提升了42.5%和20.1%;沉积态合金表面晶粒起伏更大,协调变形能力更强,塑性流动能力好;裂纹在Laves相周围萌生沿枝状晶向最大切应力方向扩展,样品颈缩后发生剪切断裂;HSA态裂纹在碳化物周围萌生沿晶界扩展,断裂方式为沿晶和穿晶相结合的混合断裂。

残余应力与拘束对GH4169合金疲劳及蠕变-疲劳裂纹扩展速率影响研究

为深入理解残余应力与拘束在疲劳载荷下的交互作用,以镍基高温合金GH4169为研究对象,选用紧凑拉伸(CT)试样,对不同拘束CT试样的上方施加不同大小的预加载荷从而在裂尖产生不同应力。将该应力作为残余应力,系统研究残余应力和拘束交互作用下GH4169合金的疲劳和蠕变–疲劳裂纹扩展速率。结果表明:随着裂尖残余压应力的增加,不同拘束下GH4169合金的疲劳和蠕变–疲劳裂纹扩展速率均降低。与低拘束试样相比,高拘束试样的疲劳和蠕变–疲劳裂纹扩展速率对残余应力的变化更加敏感,这主要与裂尖Mises应力和垂直于裂纹扩展方向的正应力有关。与疲劳裂纹扩展速率相比,蠕变-疲劳裂纹扩展速率对残余应力的变化更加敏感。

δ相时效态GH4169合金Zerilli-Armstrong本构模型及其参数反求方法

在Gleeble-1500D型热模拟试验机上进行了δ相时效态GH4169合金的高温压缩试验。试验温度为950~1040℃、应变速率为0.005~1 s^(-1)。为了能建立准确描述该合金流动行为的本构模型,考虑应变对Zerilli-Armstrong本构模型材料参数的影响,提出并采用了一种基于多岛遗传算法的参数反求方法建立了该材料考虑应变补偿的Zerilli-Armstrong本构模型。借助相关系数、平均绝对相对误差等标准统计参数定量评估了该本构模型预测的准确性。结果表明:考虑应变补偿的Zerilli-Armstrong本构模型具有较高的预测准确性,其相关系数和平均绝对相对误差分别为0.996和3.189%。

GH4169合金叶片条纹形成机理及对疲劳寿命的影响

某批GH4169合金转子叶片在表面腐蚀检查时发现叶身表面存在条纹,对条纹的形成机理及其对叶片疲劳寿命的影响进行了分析。结果表明,叶片表面条纹为沿锻造流线分布的粗晶带及夹杂物聚集带,遗传自熔炼工艺;夹杂物共有两类,一类为Ti、Nb的碳氮化物,另一类为以Mg Al_(2)O_(4)为核心的复合夹杂物。当条纹内夹杂物颗粒尺寸均小于5μm,且粗晶带与基体晶粒度级差小于ASTM的2级时,这类条纹对叶片疲劳寿命影响甚微。δ相析出峰值低温时效后高温再结晶双级退火处理并热轧,可有效细化GH4169合金晶粒。

高速铣削GH4169合金的刀具磨损研究

为研究高速铣削GH4169合金的刀具磨损问题,采用正交试验法基于DEFORM软件对GH4169合金的铣削加工过程进行了仿真,得到不同组刀具磨损仿真结果,并对仿真结果进行极差分析,得出不同铣削用量对刀具磨损的影响程度和最优方案。同时,对GH4169合金进行实际铣削加工试验,并与仿真结果进行对比分析,验证了仿真模型的有效性和可行性。选取不同的铣削用量,基于DEFORM有限元仿真软件,通过单因素试验法模拟GH4169合金的铣削过程,得出铣削用量对刀具磨损的影响规律。研究结果表明:对刀具磨损的影响程度由大到小依次为每齿进给量、切削速度和背吃刀量,并通过铣削试验验证了此规律的准确性。

工艺参数对SLM成型GH4169合金微观组织和残余应力的影响

在增材制造中,成型工艺参数是影响高温合金微观组织和性能的重要因素。针对GH4169合金,设计了基于激光功率、扫描速度、扫描间距等变量的15组工艺参数,采用选区激光熔化技术(SLM)制备了相应的合金试样,研究了不同工艺参数对试样致密度、微观形貌和残余应力的影响。利用JMP软件建立了工艺参数对试样致密度影响的数学模型,并确定了主要的影响因素。结果表明,扫描速度对致密度的影响最大,其次是激光功率和扫描间距。成型试样的致密度均在99.40%以上,最大可达到99.98%。当激光功率为222 W或扫描速度为1 190 mm/s时,更容易产生未熔合缺陷。当激光功率为403 W或扫描速度为573 mm/s时,由于局部温度过高和反冲压力的升高,容易产生气孔、匙孔等缺陷。试样表面的残余拉应力随着激光功率的增加和扫描速度的降低而增大,残余拉应力的最大值为853 MPa。

(TiZrHf)_(40)(NiCu)_(55)Al_(5)高熵非晶钎料真空钎焊Ti_(2)AlNb/GH4169合金

设计了一种高熵非晶钎料(TiZrHf)_(40)(NiCu)_(55)Al_(5)对Ti_(2)AlNb合金与GH4169镍基高温合金进行真空钎焊,分析了钎焊工艺对Ti_(2)AlNb合金/GH4169镍基高温合金接头界面组织形貌、力学性能及断裂行为的影响规律.结果表明,钎焊接头可划分为Ti_(2)AlNb/等温凝固区(Ⅰ区)/钎缝中心区(Ⅱ区)/扩散反应区(Ⅲ区)/GH4169;钎焊接头典型界面组织为Ti_(2)AlNb/B2+Ti_(2)Ni(Al,Nb)/(Ti,Zr,Hf)(Ni,Cu)/(Ni,Cr,Fe,Ti)ss+Cr-rich(Ni,Cr,Fe)ss+Ni-rich(Ni,Cr,Fe)ss+(Ni,Cr,Fe)ss/GH4169;随钎焊温度升高和保温时间延长,钎焊接头的抗剪强度均呈现出先增大后减小的趋势,当钎焊温度为1020℃、钎焊时间为15min时,接头的抗剪强度达到最大237 MPa.断口分析表明,接头主要断裂在Ti_(2)Ni(Al,Nb)+(Ti,Zr,Hf)(Ni,Cu)+(Ni,Cr,Fe,Ti)ss处,并逐渐向扩散反应区扩展,断口形貌呈现出典型的解理断裂特征.

GH4169合金叶片本体取样的性能对比研究

某型航空发动机用GH4169合金叶片在试验过程中发生了叶身弯曲变形故障,为了解叶片本体的材料性能,在故障叶片榫头处取样后进行组织成分分析和布氏硬度、室温拉伸、650℃高温拉伸以及持久寿命的测试,并与同批次锻件取样的性能数据进行对比。试验结果表明,故障叶片本体的成分和组织无明显异常;榫头处的布氏硬度与锻件取样测试结果相差不大;与锻件采用标准试棒测试结果相比,榫头处取出的小尺寸工字形试样的室温拉伸和高温拉伸的抗拉强度分别下降约4%和8%,持久寿命则大幅降低,下降约64%,但仍略高于设计要求,初步排除了叶片异常变形的材料原因;取自不同故障叶片试样的拉伸和持久性能相差不大,批次叶片本体性能稳定。从叶片本体取出试样获得的基础数据为叶片变形故障分析提供了试验数据支撑,试验方法也可推广应用于相关的对比测试研究。

Nb对GH4169合金管材组织性能的影响

采用真空感应、电渣重熔、真空自耗、均匀化热处理、锻造、热挤压、冷轧、热处理等工艺得到Nb含量分别为4.90%和5.30%的两种GH4169合金管,在其他成分基本保持一致的情况下,研究了Nb含量对GH4169合金管材组织性能的影响。结果表明,在相同的热处理工艺下,随着Nb含量的增加,Nb含量越高,晶粒尺寸越细小;200℃和室温抗拉强度、屈服强度都随着Nb含量的增加而增加;且在GH4169合金管材中的析出相含量也增加。GH4169合金管在不同的固溶热处理和相同的时效热处理工艺下,得到GH4169合金管材的晶粒度尺寸在4.0~7.0级,晶粒尺寸越小,管材的抗拉强度和屈服强度越高;在相同的晶粒度下,Nb含量越高,管材的抗拉强度、屈服强度都随着Nb含量的增加而增加。

GH4169合金热腐蚀组织的演化行为

镍基高温合金的零部件服役过程存在热腐蚀现象,易加速服役工件失效,缩短服役寿命。文章采用表面涂盐方法,研究GH4169合金I型(850℃)及Ⅱ型(650℃)的高温热腐蚀时序演化行为,发现合金表面及截面的腐蚀程度整体随时间延长而加剧。低温下合金截面处内外腐蚀层之间可观察到一层连续Al_(2)O_(3)带,该氧化物带对腐蚀有阻碍效果,而高温下合金的氧化层剥落及腐蚀孔洞现象更严重,Al_(2)O_(3)呈点状分布,且I型腐蚀更严重。此外,在合金腐蚀表面检测到Cr_(2)O_(3)、Fe_(2)O_(3)、Fe_(3)O_(4)和NiCr_(2)O_(4)等物质,Ni、Al、Cr、Fe与O、S、Cl的吉布斯自由能计算结果与实验观察一致。

Cr元素纯度对GH4169合金铸态组织的影响

GH4169合金是目前航空发动机中用量最大的高温合金材料,随着发动机性能需求越来越高,对合金纯净度要求也越来越高。本文选用纯度不同的金属铬以及高纯铬冶炼GH4169合金,通过金相显微镜和扫描电镜表征铸态组织形貌以及采用能谱分析了元素分布,探究了铬的纯度对GH4169合金铸态组织的影响。发现铬元素纯度对枝晶形貌、元素分布的影响较小,但是对碳化物、Laves相的形貌存在明显的影响:高纯铬能减少析出相的数量和尺寸,有利于冶炼过程中元素的均匀分布。

气体温度对VIGA制备GH4169合金粉末的影响

研究采用真空感应气雾化(Vacuum Induction Gas Atomization,VIGA)技术制备GH4169合金粉末,系统探究气体温度对粉末特性的影响规律。结果表明,随着气体温度从100℃升高到600℃,粉末的粒度分布明显向左移动,D50由75μm减小到42μm。扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope,SEM)分析表明,较高气体温度有助于提高粉末的球形度,减少卫星粉的生成。X射线衍射(X-Ray Diffraction,XRD)分析揭示,气体温度对粉末的物相组成影响不大,但是较高温度下粉末具有更高的结晶度和更大的晶粒尺寸。此外,粉末的流动性随气体温度的升高而显著改善。

电弧增材制造GH4169合金均匀化热处理组织特征、力学性能和蠕变性能研究

为深入探究电弧增材制造GH4169合金热处理组织特征,针对不同热处理工艺对GH4169合金组织及相的影响开展研究,以确定最佳的均匀化热处理工艺。采用电弧熔丝增材制造技术成形GH4169合金试块,研究不同均匀化热处理温度下试样微观组织和力学性能的变化。结果显示,随着均匀化温度的提升,Laves相逐渐溶解至完全溶解,试样组织逐渐变得均匀。当均匀化温度升至1 100℃时,Laves相完全溶解,试样水平方向和垂直方向均为等轴晶,组织各向异性消除。经过1 100℃均匀化处理再进行固溶+双时效处理,材料强度明显提升,相比沉积态增加50%,且材料的蠕变性能远高于锻件标准。研究表明,通过控制均匀化热处理温度和后续的热处理工艺,能有效提升电弧增材制造GH4169合金的力学性能和蠕变性能。对于优化电弧增材制造GH4169合金的工艺参数,提高其综合性能具有重要意义。

热处理对P、B微合金化GH4169合金组织与蠕变性能的影响

通过对锻造态GH4169合金进行短期时效处理、常规热处理和长期时效处理、蠕变性能测试及组织观察,研究了热处理制度对组织与蠕变性能的影响。结果表明:锻造态合金经短期时效处理、常规热处理及长期时效处理后,其组织结构由γ、γ'、γ"、针状δ-Ni_(3)Nb相和粒状(Nb,Ti)C、M_(23)C_(6)碳化物组成;其中,(Nb,Ti)C中富含P,而贫Cr、Mo。特别是短期时效处理合金的晶界无析出相,而长期时效处理合金中针状δ相沿晶界析出,随δ相数量及尺寸增加,合金中γ、γ'、γ"、相的晶格常数略有减小,各相间的错配度减小,但γ'/γ"两相间的错配度增加至δ_(γ'/γ")=0.233%;在长期时效态合金中,δ与γ相之间的晶体学关系为(200)_(γ)//(110)_(δ)和[011]_(γ)//[001]_(δ),其中,δ相的(020)_(δ)面与γ相的(111)_(γ)面、δ相的(110)_(δ)面与γ相的(111)面保持共格界面;与长期时效态合金相比较,时效处理态和常规热处理态合金有较好的蠕变抗力,其中,蠕变期间在长期时效态合金中的针状δ相处易产生应力集中,促使沿垂直于应力轴方向发生裂纹的萌生与扩展,可大幅度降低合金的蠕变寿命。