脉冲激光熔覆Inconel 718涂层热行为数值模拟及其对显微组织的影响

目的揭示脉冲激光作用下Inconel 718合金涂层凝固传热行为的演化机制,改善涂层中Nb、Mo元素偏析现象,提升Inconel 718合金熔覆涂层的力学性能,为优化Inconel 718熔覆涂层质量提供理论依据。方法综合考虑物性参数随温度、脉冲激光热源、粉末传输形式,以及凝固过程中相变潜热对涂层凝固热行为的影响,构建脉冲激光熔覆传热模型。基于数值模拟技术和激光熔覆试验,利用VHX-2000电子显微镜对涂层显微组织形态进行分析验证,采用日立SU8010场发式扫描电镜观察分析显微组织和元素偏析情况,并使用显微硬度计测试涂层的硬度值。结果由数值模拟分析结果可知,脉冲激光涂层的冷却速度、温度梯度、凝固速度均大于连续激光涂层,其枝晶生长细密且No、Mo元素呈弥散分布,显微组织自底向顶以平面晶、胞状枝晶、柱状枝晶、等轴枝晶等形式存在,Laves相的体积分数降低至2.93%,在细晶强化和固溶强化作用下,熔覆涂层的平均显微硬度提升至307HV0.1。结论脉冲激光涂层热行为数值模拟分析结果符合Inconel 718涂层组织形态快速凝固变化的规律,数值模型可靠。脉冲激光形成的高冷却速度和高温度梯度,能在一定程度上抑制Inconel 718合金涂层中Nb、Mo元素的偏析,离散并细化γ枝晶组织,降低Laves相的体积分数,显微组织在细晶强化和固溶强化双重作用下,提升涂层的力学性能。

Inconel625合金和TC11合金的短电弧加工特性分析

利用短电弧加工系统对Inconel625合金和TC11合金在不同电加工参数下加工,研究了电参数的变化和电加工高温对该材料的加工性能、金相组织及硬度变化的影响。结果表明:该加工技术对两种难加工材料均具有较明显的去除率,高电压加工去除率更高,但加工表面较粗糙,而低电压加工会获得较好的表面质量。受电加工热能影响,材料金相组织均发生转变,晶粒细化明显,Inconel625合金形成318.6μm厚的热影响层,其硬度提升16.9%;TC11合金形成175.2μm厚的热影响层,其硬度提升32.8%,两种材料的性能变化均能满足后续的精加工要求。

新型热处理方法制备超高强度Inconel 718合金

为改善Inconel718合金的组织并优化性能,提出一种980℃,1 min高温超短退火和随后的双时效相结合的新型热处理方法。结果表明,超短退火处理产生了部分再结晶组织,KAM图表明即使在变形晶粒中也形成了再结晶晶核。因此,高温超短退火克服了再结晶势垒,使得后续的再结晶过程可以在较低温度的时效处理过程中完成,从而获得了均匀细化的组织(~3.59μm)。980-1min-aged样品具有优异的拉伸性能,室温极限强度和总伸长率分别为1600 MPa和19%。650℃热拉伸条件下的极限强度和伸长率分别约为1350 MPa和26%。因此,高温超短退火能有效提高Inconel718合金的性能。

Inconel 718高温合金表面铝化物涂层的制备及其形成机制

Inconel 718高温合金表面制备的铝化物涂层的组织结构及其形成机理,是提高该高温合金抗高温氧化和耐腐蚀性能的关键。采用化学气相沉积法在高温合金Inconel 718表面制备了铝化物涂层,通过结合使用材料热力学模拟软件JMatPro、X射线衍射仪、X射线能谱仪和扫描电子显微镜等表征手段,详细研究了铝化物涂层的微观组织结构。研究结果表明:在1 050℃温度条件下,经过1.5 h反应,Inconel 718表面生成了双层结构的铝化物涂层,其外层厚度为14.1μm,主要由β-NiAl相组成,内层厚度为5.9μm,由σ相和Laves相组成;外层的β-NiAl相形成是由Inconel 718高温合金中的Ni元素外扩散至表面后,与环境中的卤化铝反应而生成的;大量的Ni元素外扩散导致高温合金中的γ-Ni相减少,当高温合金中Ni元素的含量(原子分数)减少至49%时γ-Ni相中开始析出Laves相,当Ni元素的含量减少至40%时σ相也开始析出,当Ni元素的含量最终降至9%时Inconel 718高温合金完全转变成由σ相和Laves相组成的铝化物内层。研究结果深入揭示了涂层形成的机理,为优化铝化物涂层制备工艺提供了重要的理论基础。同时,对于Inconel718高温合金的高温稳定性和腐蚀性能的提升具有实际应用价值。

干冰颗粒射流冷却铣削Inconel 718切削性能评价研究

镍基高温合金Inconel 718以高韧性和低导热性等物理力学性能使其成为典型难加工材料,在切削过程中易产生大量切削热,导致刀具磨损加剧并影响加工表面质量。干冰作为一种清洁冷却介质,具有临界温度低、潜热高、升华后无残留等特点,在难加工材料高效准干式切削中具有重要应用潜力。本文将干冰颗粒射流冷却辅助方法应用于Inconel 718切削加工,通过降低切削温度对改善Inconel 718切削性能的有益效果探索该绿色工艺。开展了干冰颗粒射流冷却辅助铣削试验,分析了干冰颗粒冷却工艺对Inconel 718加工过程中铣削温度、铣削力以及加工表面粗糙度的影响规律。结果表明,在干冰颗粒射流冷却条件下,Inconel 718加工过程中铣削温度和铣削力得到显著降低,同时加工表面粗糙度减小,证明干冰颗粒射流冷却辅助加工能够有效改善高温合金材料的切削性能。

CVD法制备Inconel 718高温合金表面铝化物涂层高温氧化行为研究

Inconel 718高温合金是燃气轮机和航空发动机热端部件的关键核心材料,其表面通常制备有铝化物涂层,起到提高抗氧化和热腐蚀性能的作用。理解铝化物涂层的高温氧化行为,是提高部件抗高温氧化能力的关键。采用化学气相沉积(CVD)技术,在Inconel 718高温合金表面制备了铝化物涂层,在大气环境、950℃条件下开展了恒温氧化测试,采用扫描电子显微镜、X射线衍射和X射线能谱等手段,研究了其高温氧化行为,并与Inconel 718高温合金进行对比。结果表明:Inconel 718高温合金表面制备的CVD铝化物涂层,其表面粗糙,具有双层结构。外层为富含Ni和Al元素的β-NiAl层,平均厚度为14.1μm,内层为富含Fe和Cr元素的σ相与富含Nb、Mo和Fe元素的Laves相共存的互扩散层,平均厚度为5.9μm。恒温氧化后,Inconel 718高温合金表面氧化生成了Cr_(2)O_(3)膜,而CVD铝化物涂层表面氧化生成了α-Al_(2)O_(3)膜。Cr_(2)O_(3)膜和α-Al_(2)O_(3)膜的生长都遵循抛物线型生长规律,Cr_(2)O_(3)膜的生长速率常数为0.86μm·h^(-1/2),α-Al_(2)O_(3)膜的生长速率常数为0.15μm·h^(-1/2)。此外,观察发现Inconel 718高温合金发生了内氧化,而CVD铝化物涂层未出现内氧化,两者氧化行为差异的原因在于CVD铝化物涂层中的β-NiAl相,其氧化生成均匀、连续、致密的α-Al_(2)O_(3)膜,阻止了内部金属发生进一步氧化。本研究揭示了Inconel 718高温合金和CVD铝化物涂层的抗高温氧化作用机理,为Inconel 718高温合金用高抗氧化性CVD铝化物涂层的制备及应用提供了技术支撑。

超声振动方向对激光定向能沉积Inconel 718性能影响研究

目的面向激光定向能沉积表面改性及再制造发展需求,揭示超声振动方向对激光定向能沉积Inconel 718零件的影响机制,为超声辅助激光定向能沉积高质量成形提供参考。方法开展多方向超声振动辅助激光定向能沉积Inconel 718零件试验,结合原位熔池监测技术,研究沉积方向、搭接方向和扫描方向超声振动对熔池流动行为、微观结构和力学性能的影响。结果不同方向超声振动显著影响了熔池的动态流动行为,其中搭接方向超声振动使熔池润湿面积提高了86.4%,并且形状更为规则,拖尾现象得到改善。微观组织细化方面,扫描方向振动效果最佳,晶体直径细化了46.9%,水平方向的晶体等轴晶转变优于沉积方向,而在沉积方向振动下,Laves相点球化和减少最为明显。相较于对照组的显微硬度210.4HV0.2,添加沉积、搭接和扫描方向超声振动后分别提高到了232.5HV0.2、230.9HV0.2和233.9HV0.2,变化趋势与晶体直径变化趋势基本一致。水平方向超声振动影响下,特别是扫描方向的超声振动在提高材料强度的同时,还在一定程度上保持了材料的延展性;在搭接方向上,超声振动辅助显示出较好的各向异性消除能力,获得了优异的硬度、强度和塑性匹配。结论不同方向超声振动,通过不同方向的惯性力和热流改善了熔池的动态流动性,其中搭接方向超声振动在扩大熔池润湿面积和改善熔池动态形状方面具有优异的综合能力。由于超声强度方向性传播衰减和引起不同的声压梯度,微观组织细化和Laves相的细小点球状消减分别在扫描方向和沉积方向上最为显著,这些变化引起了显微硬度和拉伸性能的相关性提升。超声振动还均衡了材料的力学性能,提高了抗拉强度、屈服强度和延展性,尤其在搭接方向上,显示出较好的各向异性消除能力。可根据具体需求目标,选用相应的超声振动方向或者复合使用,以获得优异的Inconel 718零件熔池流动、微观形貌和力学性能匹配。

不同温度下Inconel 690TT换热管的冲击微动磨损特征研究

为了研究冲击微动磨损对蒸汽发生器换热管的影响,在200,250,285℃温度下开展了Inconel 690TT管与SUS405支撑的冲击微动磨损试验研究,通过扫描电子显微镜和能谱仪手段对磨损特征开展系统分析。结果表明,250℃和285℃温度下的磨损量相近,明显大于200℃下的试验结果。对磨损表面的分析发现,温度的升高会导致表面产生更为显著的剥层现象和表面硬度降低,进而导致磨损体积的增加。从能谱仪分析结果来看,在250℃和285℃下,氧化变得严重,但从C和Fe的含量来看,质量转移并不严重,但随温度上升质量转移略有上升。这说明冲击磨损主要的磨损机制是剥层,粘着磨损随着温度升高有上升趋势。冲击微动磨损机理研究结果对蒸汽发生器后续研究、设计和维护具有重要意义。

Inconel718榫接结构高低周微动疲劳试验研究

航空发动机涡轮叶片在实际服役环境中,受到循环往复的高/低周载荷,这是一种典型的高低周微动疲劳工况。涡轮叶片由于微动疲劳频繁引发疲劳断裂问题,严重影响着航空发动机的安全运行。为了研究热端部件材料的高低周微动疲劳问题,设计一种Inconel718榫连接模拟件,对其开展高低周复合微动疲劳试验。共设计3种不同载荷/频率的试验工况,对比不同工况下模拟件的寿命分布情况。结果表明:高周/低周载荷对榫连接结构的微动疲劳寿命有显著影响,随着高周/低周载荷或者频率的增大,涡轮叶片榫接部位微动疲劳寿命均随之降低;试验结果证明榫接结构高低周微动疲劳试验较好地还原了涡轮叶片实际服役情况;通过显示动力学有限元分析,所预测的裂纹萌生位置与试验结果中裂纹萌生位置分散性较小。

Mn含量对Inconel718板材焊接接头组织性能的影响

采用w[Mn]<0.01%、0.24%、0.34%三种不同合金的固溶态Inconel718热轧板材进行直流脉冲电弧焊接,经双级热时效处理后进行室温拉伸实验,研究Mn含量的变化对焊接接头微观组织及时效态力学性能影响规律。结果表明,三种不同Mn含量焊接接头组织中只存在Laves相,没有δ相析出,随着w[Mn]由<0.01%提高至0.34%,焊接接头中Laves相析出体积分数略有增多。经过双级热时效处理后,γ’’开始析出,焊接接头组织中Laves相含量略有减少。与时效态母材拉伸性能相比,焊接接头拉伸强度和伸长率有所降低。且随着Mn含量的增加,时效态焊接接头拉伸性能略有降低,抗拉强度由1250 MPa小幅降低至1178 MPa和1213 MPa,三种不同Mn含量的焊接接头时效态拉伸样品断裂位置皆为焊缝区域,且均为韧性断裂。

Inconel 718镍基高温合金高速切削仿真与刀具磨损机理研究

Inconel 718高温合金因强度高和导热系数低导致其切削加工性较差,采用陶瓷刀具高速切削Inconel 718时存在磨损快、寿命短等问题。通过仿真和试验对比分析,研究切削用量对切削力、切削温度和刀具磨损的影响规律,并获取高速切削过程中刀具前、后刀面温度场和应力场的动态分布规律,为镍基高温合金的高速切削及刀具设计制备提供指导依据。结果表明,切削速度对切削力和切削温度的影响程度小于背吃刀量和进给量;在选择切削参数时,优先选取较高的切削速度;沟槽磨损是抑制陶瓷刀具耐用度的关键因素,主要失效机理是黏结磨损。

激光选区熔化Inconel 625合金的高温热腐蚀行为

采用电化学阻抗谱对比研究了激光选区熔化(Selective laser melting,SLM)和轧制Inconel 625合金在600℃覆盖50%KCl+50%Na_(2)SO_(4)(质量分数)盐膜时的电化学腐蚀行为。结果表明:SLM Inconel 625合金的腐蚀电化学阻抗谱呈双容抗特征,腐蚀过程受荷电离子迁移控制;轧制Inconel 625合金由高频段的容抗弧和低频段的直线组成,表明腐蚀受扩散控制;SLM Inconel 625合金的腐蚀产物层为Cr_(2)O_(3)/Ni_(3)S_(2)多层交替结构,而轧制Inconel 625合金表面腐蚀产物由Cr_(2)O_(3)和NiO的混合物组成,存在明显的内硫化现象;SLM Inconel 625合金较多的位错及亚晶粒促进了铬元素向外扩散并与氧发生反应,改变了合金表面的硫分压,进而影响了合金表面腐蚀产物膜的组成及结构。

750℃时效后Inconel 740H焊接接头的显微组织及性能

采用光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、显微硬度仪和冲击试验等研究了IN 740H焊接接头750℃时效后的显微组织、硬度和冲击韧性。结果表明:母材和焊缝的硬度随时效时间的延长先增大后减小。焊缝的冲击韧性在时效初期快速下降,之后下降速率减缓,最终趋于稳定。时效过程中,γ′相的长大与M_(23)C_(6)相的析出不仅会降低γ′相的体积分数,还会导致晶界附近形成γ′贫化区。晶内颗粒状γ′相是影响IN 740H焊接接头硬度变化的关键因素。焊缝冲击韧性的快速下降主要由晶界M_(23)C_(6)相的析出和粗化导致。焊缝晶界γ′贫化区的形成会加速晶界裂纹的扩展,也有害于其冲击韧性。

Inconel 718合金粉末热等静压成形及其影响因素

采用无坩埚感应熔炼超声气体雾化法(Electrode induction melting gas atomization,EIGA)和真空惰性气体雾化法(Vacuum induction melting gas atomization,VIGA)制备Inconel 718预合金粉末,随后采用热等静压工艺制备Inconel 718合金。研究制粉工艺、粉末粒度及包套结构对Inconel 718合金显微组织和力学性能的影响。研究结果表明,EIGA粉末具有更好的球形度,成形合金力学性能优于VIGA粉末;综合考虑力学性能、得粉率等因素,选择15~106μm粒度范围的粉末作为热等静压用粉末;包套壁厚的增加对作用在粉末上的有效应力产生屏蔽作用,空腔体积变化对致密化过程影响较小;粉末填充过程的长时间振动会导致粉末发生粒度偏析,需要控制粉末填充过程的振动频率和振动时间。

Inconel 718合金激光增材修复关键工艺优化

为了进一步优化制备试样的成形质量并延长其服役寿命,首先探究了工艺参数对激光增材修复Inconel 718合金成形质量及力学性能的影响,采用正交设计试验方法进行Inconel 718合金单道沉积层熔覆试验,观察了不同工艺参数下单道熔覆层的表面形貌并测量其宽度和高度,通过极差值与排序结果,分析工艺参数对单道熔覆层几何形状的影响规律,得到3个主要的工艺参数对单道熔覆层形貌的影响排序,从而获得最优的工艺参数组合;之后,利用调控后的工艺参数成功制备出无裂纹、孔隙等缺陷的块状Inconel 718合金试样,选择激光功率为主要探究因素,研究激光功率对熔覆块状Inconel 718合金显微组织、硬度、抗拉强度和断后伸长率的影响,构建工艺参数,显微组织与力学性能间的联系.结果表明,激光功率和粉末供给速率分别为影响熔覆高度和宽度的主要因素;当激光功率为1600 W,扫描速度为12.5 mm/s,送粉速率为8 g/min时,由于温度梯度和冷却速度的影响,熔覆试样的微观组织致密、晶粒细小,枝晶间距适当,具有优异的抗拉强度和断后伸长率.

不同温度对Inconel 718合金微动磨损行为的影响研究

Inconel 718高温合金在航空航天、燃气轮机和核电能源等领域有着广泛运用,为评价其在实际服役工况下的微动磨损性能,采用自主研制的高温微动磨损试验机开展切向微动磨损试验,研究并揭示不同环境温度下材料的微动运行行为、材料损伤响应和磨损机理。结果表明:环境温度对Inconel 718合金微动磨损区域特性及其损伤机理有较大影响。在不同位移幅值下,随着环境温度的升高,微动磨损均向完全滑移的方向转变。微动部分滑移区的磨损机制主要为黏着磨损,且随着温度的升高黏着加剧并在600℃转变为混合区。对于微动混合区或滑移区,其损伤机制由较低温度(室温和200℃)下的疲劳磨损主导转变为较高温度(400和600℃)下的黏着磨损和磨粒磨损主导,同时氧化磨损加剧。此外,环境温度的升高将不同程度加剧材料的微动损伤,其磨损率约为室温工况下的1.76~18.60倍,不同位移幅值下所导致最大磨损率的温度阈值亦不尽相同。研究结果为不同服役温度下Inconel 718合金的抗微动损伤防护提供了理论数据和应用参考。

基于本构模型的Inconel 718材料动态力学响应分析

Inconel 718常用于航空航天、汽车以及医疗设备领域,其高强度和低导热性造成大切削力和高切削温度,是一种典型的难加工材料。本文通过分离式霍普金森压杆试验得到了常温下Inconel 718的真实应力-应变曲线,通过高温硬度试验得到了该材料在不同温度下的热软化率。利用激光热导试验获取不同温度下Inconel 718的比热容和热导率,结合真实应力-应变曲线计算不同应变下的实际变形温度。利用热软化率将变温状态下的真实应力-应变曲线修正为等温状态下的应力-应变曲线,实现了应变和温度的解耦。基于Johnson-Cook和Power-Law本构模型对上述试验结果进行了拟合,结果表明,在低应变率下Power-Low本构模型的拟合精度更高,而在高应变率下Johnson-Cook本构模型的拟合精度更高。最后通过有限元仿真探究了应变、应变率、温度单独作用下,Inconel 718材料力学性能的响应机制,发现应变对应力的影响最大,温度次之,应变率对应力基本没有影响。

Inconel 617合金热变形过程中几何必须位错的演变

利用热模拟试验机对Inconel 617合金在温度1000~1200℃,应变速率0.001~1 s^(-1)范围内进行热压缩试验。采用电子背散射衍射和透射电子显微镜技术研究了其热压缩过程中的微观组织演变和几何必须位错(GND)特征。结果表明,随着温度的升高和应变速率的降低,再结晶程度增大,GND密度降低,并且明显的绝热升温效应加速了再结晶的形核和长大。Inconel 617合金热变形过程中大量的位错墙相互缠结,GND首先在大角度晶界处塞积,然后形成亚晶界,最终演变为再结晶晶粒。

晶界工程调控Inconel 718合金晶界处δ相的析出

目的针对镍基Inconel 718合金在高温服役时强化相转化为晶界δ脆性相从而降低服役性能的问题,通过热机械处理工艺调整晶界脆性相的析出和分布,以提升合金在高温环境下的耐用性和服役性能。方法通过晶界工程(GBE)技术提高样品中低Σ重位点阵(CSL)晶界的比例,调整晶界处δ相的分布规律。利用扫描电子显微镜(SEM)和电子背散射衍射(EBSD)技术分析样品的显微组织演化规律。结果GBE处理使样品中低ΣCSL晶界比例较固溶态的54.34%提高至81.43%,显著优化了晶界特征分布。通过SEM分析了δ相在不同类型晶界处的分布特征:较小的δ相沿平行于Σ3c晶界两侧分布、沿垂直于Σ3i晶界两侧分布,沿Σ9晶界一侧呈针状分布;较大的δ相沿Σ27晶界一侧呈短棒状或层片状分布,在随机晶界处杂乱分布。GBE处理后合金的塑性显著提升,其延伸率从固溶态的21.1%提升至GBE态的26.6%。结论通过晶界工程技术提升了镍基合金中低ΣCSL晶界的比例,调整了晶界处δ相的析出规律,优化了Inconel 718合金的微观结构,从而有望提高其在高温环境下的服役性能。

Inconel718合金激光熔覆Co/TiN复合涂层摩擦学及氧化行为

为了研究拓展Inconel718合金在高温环境下的应用,使用激光熔覆在其表面制备Co/TiN复合涂层,并结合XRD、SEM和EDS等分析方法,探究其在室温和600℃下的摩擦学行为及800℃下的抗氧化性能。结果表明:制备的涂层硬度相对基体有所提高,约为基体的1.3~1.4倍。另外,涂层中的物相主要为固溶体及金属间化合物。对涂层的摩擦学性能进行测试,当TiN添加量为4%(质量分数,下同)时,涂层的减摩性能最好;而添加量为6%时,涂层的耐磨性最好,磨损率最大可降低90.02%。此外,氧化实验表明:Co/TiN复合涂层具有一定的抗氧化性能,氧化速率为8.7634mg^(2)·cm^(-4)·h^(-1),与基体相差不大。由此说明该复合涂层在保留基体抗氧化性的同时,能够大幅降低高温下的磨损率,且磨损率随着TiN的增加而减小。通过磨损机理分析可知,在600℃下各涂层均发生氧化磨损,其表面氧化膜的产生一定程度上也有助于降低磨损率。