GH4169G高温合金车削切削力与切削温度有限元仿真研究

为研究GH4169G高温合金车削用量及刀具几何特性对切削力和切削温度的影响规律,基于ABAQUS有限元仿真软件,通过依次改变切削深度、切削速度和刀具几何角度,获得不同参数组合下切削力和切削温度的变化规律,进一步揭示车削参数和刀具几何角度对GH4169G高温合金切削过程中热—力耦合作用的影响机理,从而对切削工艺参数和刀具特性进行优选。

热处理制度对GH4169G合金微观组织与蠕变性能的影响

对等温锻造GH4169G合金进行不同条件热处理和蠕变性能测试,研究热处理制度对合金组织与蠕变性能的影响。结果表明:经直接时效和标准热处理后,ITF-GH4169G合金中的δ相具有粒状或针状形态,其中,标准热处理期间合金中元素Fe和Cr富集于近晶界区域。与标准热处理合金相比,直接时效态合金在蠕变期间晶内发生位错的单取向或双取向滑移,可减缓应力集中、延迟裂纹的萌生与扩展。而标准热处理态合金中形成的针状δ相可削弱晶界的结合强度,并促使晶界处发生裂纹的萌生与扩展。

一种GH4169G合金的组织与蠕变行为

通过对等温锻造GH4169G合金进行直接时效处理、蠕变性能测试和组织形貌观察,研究了GH4169G合金的组织结构及蠕变行为。结果表明:经等温锻造和直接时效后,GH4169G合金晶粒具有不均匀特征,且在晶内存在孪晶,并有粒状δ相在晶内及沿晶界不连续析出,可改善晶界的结合强度。经不同条件蠕变性能测试后,根据稳态蠕变期间的应变速率,测定出合金在稳态期间的蠕变激活能和应力指数分别为Q=532.7 kJ/mol和n=12.1。合金在蠕变期间的变形特征是不同取向的孪晶变形和位错滑移,随蠕变进行,形变位错密度增加,且在晶界附近发生位错堆积,并产生应力集中,致使微裂纹在晶界处萌生及扩展,直至蠕变后期发生沿晶断裂。

热处理工艺对GH4169G合金组织与性能的影响

通过对等温锻造GH4169G进行不同工艺的热处理和组织形貌观察,研究了热处理工艺对合金组织与蠕变性能的影响。结果表明,GH4169G合金经直接时效处理后的组织结构由γ基体、γ'、γ''?及δ相组成,且晶粒尺寸约为10 μm^15 μm,并存在较多孪晶组织,其中,粒状δ相分布于晶内,而大量细小γ'和γ''强化相在晶内弥散析出,是使合金具有较好蠕变性能的主要原因。与直接时效处理合金相比,经标准热处理后,合金的晶粒尺寸无明显变化,组织结构仍由γ基体、γ'、γ''及δ相组成,但孪晶数量明显减少,且有块状和针状δ相沿晶界不连续析出,其中,元素Fe、Cr富集于近晶界区域,是使其δ相具有针状形态的主要原因。

晶粒组织对GH4169G合金持久性能的影响

研究了GH4169G合金锻造饼坯表层不完全再结晶组织和中间层完全再结晶组织对持久性能的影响。研究结果表明,在标准热处理状态下,具有混晶组织的表层合金比具有等轴晶组织的中间层合金持久性能差,δ相的析出数量、分布情况及晶粒组织变形协调能力是影响持久性能的主要原因。

航空涡轮盘用GH4169G合金研制

目前应用最广泛的航空涡轮盘材料是IN718合金,提高IN718合金的组织稳定性和持久寿命对航空发动机的使用尤为重要。试验研究发现,添加适量的P、B可有效提高IN718合金的持久寿命,但添加P、B的IN718合金材料工业化生产和应用方面的报道很少。采用金相观察、力学性能测试等手段,研究了GH4169G合金的组织与性能。对比分析了P、B微量元素不同添加量对GH4169G合金力学性能的影响。试验结果表明,GH4169G合金的热加工工艺性能良好;与普通IN718合金相比,GH4169G合金的持久寿命提高3倍以上。

GH4169G合金均匀化过程δ相的析出变化

在研究GH4169G合金准120mm铸锭均匀化制度基础上,介绍了验证合金均匀化效果的三种方法。分析铸态组织后,将试样进行不同程度的均匀化处理。通过文献结合实验确定δ相验证制度为910℃×14 h,AC。合金偏析严重时,δ相呈长针状分布在枝晶间,枝晶轴未析出区比例较大;合金均匀化改善时,枝晶间δ相析出面积增大,聚集程度降低,且针状相的长度减少过渡到棒状。均匀化程度更高时,枝晶轴基本上都有δ相析出,析出相呈棒状与粒状分布,主要差别在于枝晶轴/枝晶间析出量多少及部分区域聚集析出。完全均匀化,δ相呈粒状在晶粒内均匀析出,晶界仍有针状δ相析出。

GH4169G合金高强涡轮盘锻件的试制

以GH4169G高强涡轮盘为研究对象,在工业条件下成功试制出组织和性能满足技术标准要求的锻件。

GH4169G合金高压后挡板锻件组织性能研究

某发动机用GH4169G变形高温合金高压后挡板锻件高温光滑持久性、缺口周期持久性及晶粒度未达到技术要求。为了探明锻件组织性能不合格的原因,对某批次后挡板缺口周期持久性不合格试样尺寸进行了检测和分析,对缺口周期持久性不合格试样断口附近高倍组织进行了检测,对锻件全截面高倍组织进行了检测分析。结果表明:GH4169G合金缺口周期持久性能对缺口非常敏感,缺口的半径大小对性能有很大影响,试样缺口半径小是该批锻件缺口周期持久性能不合格主要原因;高压后挡板锻件局部存在变形混晶组织并且大晶粒晶界处δ相贫化,这是高温持久性能不合格的原因。

GH4169G合金零件异常腐蚀区缺陷分析

针对生产中GH4169G合金零件低倍全面腐蚀时出现的异常腐蚀区,采用光学显微镜、扫描电子显微镜及能量散射谱,对正常区域和异常腐蚀区的宏观、微观组织形貌及化学成分进行了对比分析。结果表明,异常腐蚀区为白斑缺陷;虽然该异常腐蚀区离散分布着富Ca和富Mg的氧化物颗粒,但氧化物颗粒未见聚集,由此判断该缺陷为"干净"白斑。强度类比评估表明,带白斑缺陷零件可满足阶段性试验要求,且试验后分解检查未发现零件异常。

GH4169G低压涡轮盘“脏白斑”水浸超声C扫检测分析

在加工过程中对某低压涡轮盘进行腐蚀检查,在盘径向距圆周45 mm处发现1块长条亮腐蚀区(尺寸约为12 mm×3 mm),经外观检查、金相分析和能谱分析,最终判定该表面腐蚀可见的浅腐蚀区域为贫Nb偏析产生的白斑,宏观尺寸和微观晶粒度均不符合标准要求。同时,白斑附近有碳化物聚集,其中夹杂少量Mg、Al氧化物。针对该情况,该文分析了腐蚀前该低压涡轮盘的超声检测结果,从理论上分析了“白斑”和“脏白斑”超声检测的可能性,并结合理论和实践探讨了GH4169/GH4169G水浸超声检测的主要工艺参数,对保证GH4169/GH4169G盘内部质量具有一定指导意义。

Research on GH4169G alloy for aerospace turbine disk

Using metallographic observation and mechanical measurement,the microstructure and mechanical properties of GH4169G alloy has been investigated.The effect of the phosphorus,boron trace elements on mechanical properties of the GH4169G alloy are compared and analyzed.The results showed that the hot-workability of the GH4169G alloy is very good.The stress ruptures properties of GH4169G alloy is over 3 times than the traditional GH4169 alloy.

GH4169G合金叶盘叶尖裂纹失效分析

针对GH4169G合金叶盘试验后1个叶片叶尖出现的裂纹,对裂纹叶片进行了断口和组织分析。得出裂纹的性质为高周疲劳,裂纹源区位于叶背侧亚表面,裂纹叶片叶尖处晶粒度为5.5级,不满足锻件检测要求,降低了高周疲劳性能。对与裂纹叶片邻近的多个叶片各部位进行组织分析,叶尖处均未达到平均晶粒度8级或更细的要求,δ相较少,距离裂纹叶片越远晶粒越细,叶身纵向晶粒从叶尖至叶根逐渐变细。复查该叶盘锻件的等温锻造工艺,叶片部位欠压过多,外缘周向最小尺寸偏小,导致叶片叶尖附近部位变形量不足,晶粒粗大。对锻造工艺进行优化,将最大锻造压力由5 000 t调整为8 000 t,预留欠压量由≤15 mm调整至≤10 mm。优化后的锻件充满模具,外缘尺寸符合锻件图纸要求,晶粒度符合技术要求,后续各批次中该问题未复现。

GH4169G合金热处理期间的相转变特征与机理分析

通过组织形态观察和XRD分析,研究了热处理对GH4169G合金相组成和分布规律的影响.结果表明,在实验条件下,合金的组织结构由γ基体、粒状γ′相、圆盘状γ″相和δ相组成,且各相之间保持共格界面,其中,直接时效处理ITF-DA-GH4169G合金由少量γ′相、大量γ″相和γ基体组成,而长期时效处理ITF-DA-LTA-GH4169G合金由少量γ′相、大量γ″相和γ相及针状δ相组成.时效期间,随着合金中Nb原子扩散进入γ′相,使γ′相(001)面的Nb和Ni原子沿1/2〈110〉方向迁移,L1_2结构的γ′-Ni_3Al相可转变成DO_(22)结构的γ″-Ni_3Nb相.随时效时间延长,γ″相长大,γ″相单胞中的平行六面体沿特定晶面发生1/6〈112〉位移,促使γ″相转变成DO_a结构的δ-Ni_3Nb.其中,γ″相中的a,b轴与,γ基体和γ′相保持共格界面,可使其沿c轴生长成为圆盘状形态;而δ-Ni_3Nb相的{200}_δ晶面与γ基体的{111}_γ晶面保持共格界面,是促使δ相沿(100)晶面生长成为针状的主要原因.

工业生产GH4169G合金棒材和盘锻件的组织性能

研究了工业生产GH4169G合金棒材和盘锻件的组织和力学性能。采用(VIM+VAR)工艺冶炼了直径508 mm的GH4169G合金铸锭,冶金质量良好。锻造的棒材组织均匀,晶粒度为ASTM5-7级,具有良好的拉伸和持久性能。直接时效盘锻件晶粒度为ASTM10级以上,组织均匀。盘锻件的持久和蠕变性能十分优异,680℃拉伸和680℃/700 MPa持久性能满足GH4169合金650℃技术条件要求。

GH4169G合金工业铸锭铸态组织研究

研究了P、B微合金化GH4169G合金Ф508mm工业铸锭的铸态组织,结果表明:合金铸锭中无黑斑和白斑等冶金缺陷,组织均匀。合金铸态组织中除析出常见的MC碳化物,Laves相,δ相外,还析出硼化物相。文章分析了合金的枝晶组织特征,以及P、B等合金元素的分布规律。

固溶处理对GH4169G合金蠕变的影响

研究了固溶处理温度对GH4169G合金晶粒组织、晶界析出和蠕变的影响。结果表明,随着固溶处理温度的提高(由980℃提高到1020℃)GH4169G合金的晶粒尺寸明显增大,晶界d相的尺寸和数量明显减少,晶内g″相的析出变化不大;合金的650℃/700 MPa稳态蠕变速率明显降低,表观蠕变激活能明显增大,蠕变断裂寿命显著延长。固溶处理温度对680℃/725 MPa的蠕变性能有相同的影响趋势,但其程度减弱。孪晶的形成是GH4169G合金的重要蠕变机制。提高固溶处理温度使晶界d相的析出减少,晶界滑动蠕变速率降低;同时使晶粒度增大,形成孪晶的阻力增大,晶粒蠕变速率降低。

GH4169G合金的锻造工艺与组织性能研究

主要论述了锻造工艺对GH4169G合金锻造型材的组织和性能的影响。通过对均匀化后的铸态组织进行的热塑性试验,明确GH4169G合金的基本塑性变化规律,摸索出合金的基本锻造温度范围以及锻造工艺控制要点,并进一步研究合金锻后组织对性能的影响,从而确定合金最佳锻造工艺,结果表明:微量元素磷、硼的添加适度降低了合金的热塑性,缩窄了锻造温度范围,在1100℃-1110℃加热可获得较好的锻造棒材,同时力学性能检测表明,GH4169G的室温、680℃高温拉伸良好,680℃持久性能优异。

GH4169G合金锻件的显微组织

研究了GH4169G合金锻件典型部位的晶粒组织和δ相的析出特征。结果表明,锻件因受变形量与散热速率的影响,存在完全再结晶与不完全再结晶两种晶粒组织。变形量越大,散热速率越慢,再结晶越完全;δ相的析出数量与形貌在不同位置存在较大差异,随锻造温度降低与冷却速度增加δ相数量增多,尺寸增大。

GH4169G合金锻件条带缺陷微观检测及改进

GH4169G合金锻件在低倍组织检验时出现明暗相间的条带缺陷,对其进行微观检验。结果表明,条带暗处的δ-Ni3Nb相较正常部位明显富集,晶粒度偏大,条带组织的出现与碳化物、碳氮化物的偏聚无关。借助JMatPro对GH4169G合金凝固过程的相转变规律进行模拟计算,发现合金中Nb元素的平衡分配系数最小,为0.19,容易形成成分偏析,这是形成明暗条带缺陷的主要原因。将合金锭均匀化热处理由原来2段改为3段后,即1120℃×15h+1160℃×30h+1190℃×60h,合金条带缺陷消失。