钨极氩弧焊与激光熔覆修复的K403镍基高温合金导向器叶片组织与性能

K403镍基高温合金具有优异的室温和高温综合性能,广泛用于航空发动机涡轮叶片及导向器的制造。针对涡轮叶片长期服役于复杂工况产生的裂纹缺陷等问题,本工作先对钨极氩弧(tungsten inert gas,TIG)焊和激光熔覆两种工艺修复后的组织与拉伸性能展开对比分析,而后使用激光熔覆工艺修复叶片,并进行无损检测。利用OM、SEM观察微观组织、断口形貌,利用EDS进行相的成分分析。结果表明:TIG焊修复工艺在修复界面区附近易产生微裂纹缺陷,主要碳化物相和低熔点共晶组织引起;激光熔覆工艺修复区域的晶粒与组织更加均匀,微裂纹缺陷更易得到控制;激光熔覆工艺修复的试样综合力学性能明显高于TIG焊修复工艺的试样,且激光熔覆工艺具有较好的工艺稳定性,TIG焊修复工艺的室温拉伸强度为K403母材强度的69.22%,激光熔覆修复工艺室温抗拉强度达到了母材的87.44%,断口形貌显示修复区域的室温拉伸断口呈现出混合断裂特征,高温拉伸断口呈现出沿晶断裂的特征。修复区域的微裂纹、局部液相不足缺陷和碳化物是拉伸断裂的主要原因。激光熔覆修复工艺具有热源集中、热影响区小的优势,能够有效抑制修复区缺陷并细化微观组织,在叶片修复方面具有更大优势。使用激光熔覆修复工艺完成了叶片试车过程产生的边缘板裂纹损伤修复,经过荧光检测及煤油-白垩检测,满足相关使用要求。

不同方法制备K403镍基高温合金渗铝层的氧化行为研究

目的研究采用包埋渗(PCA)、料浆渗(SA)和化学气相沉积(CVD)3种方法,在Ni基高温合金K403上制备渗Al涂层的成分和结构差异及其对氧化行为的影响,为采用相关方法制备高性能渗Al涂层提供理论和实验指导。方法在K403上,采用3种方法在950℃下扩散渗Al,通过带能谱仪(EDS)的扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和热重分析仪(TGA)分析不同方法制备的渗Al涂层的成分变化情况,以及对Al_(2)O_(3)生长机制的影响。结果采用SA、PCA、CVD3种方法扩散渗Al,均获得了β-NiAl涂层,其中来自K403合金基体元素(尤其是Ti)的掺杂情况各不相同,掺杂浓度按照涂层制备方法排列顺序为SA>CVD>PCA。在1000℃空气中恒温氧化,结果表明,CVD渗Al涂层的氧化速度最慢,PCA最快,SA居中。这是由于Ti的掺杂水平不同,导致涂层的氧化行为,尤其是亚稳态θ-Al_(2)O_(3)向稳态α-Al_(2)O_(3)的转变过程发生了变化。在氧化时,PCA渗Al涂层快速生长θ-Al_(2)O_(3)膜,适量Ti的掺杂致使CVD渗层α-Al_(2)O_(3)膜快速形成。虽然SA渗Al涂层在多数地方生长α-Al_(2)O_(3)膜,但过量Ti掺杂导致渗层析出较多大尺寸富Ti相,快速外氧化和内氧化使得涂层的总氧化速度居于另2种涂层之间。结论在K403上采用不同方法渗Al,合金元素的掺杂水平不同,使得制备的β-NiAl涂层的氧化机制发生变化。

K403合金高压导向叶片的组织及热疲劳机理分析

为了加快验证新工艺制造的K403合金高压导向叶片的可靠性,采用热冲击试验模拟叶片实际服役环境,分析了热冲击前后叶片的微观组织及热疲劳裂纹的萌生及扩展机理。研究结果表明,高压导向叶片经过781次热冲击后,枝晶的二次枝晶间距明显增加,γ基体通道变宽,γ′相含量由53%降低至45.1%。疲劳裂纹不仅从叶片表面应力集中部位萌生,叶身内部大块碳化物由于冷热循环作用而破裂也可形成裂纹源。疲劳裂纹扩展速率在热冲击中前期由于热应力得到释放从而逐渐减慢,在热冲击试验的中后期由于γ′强化相逐渐减少,使得裂纹扩展阻力减少,裂纹扩展速率加快。

K403合金燃气轮机涡轮导向器精铸工艺研究

介绍了采用无余量整体精密铸造技术研制K403合金燃气轮机涡轮导向器的过程,并对该铸件的铸造工艺进行了系统的研究。结果表明,通过快速成型技术来制造蜡模,大大缩短了精铸件的研制周期,降低了生产成本;采用联合注入式浇注系统,浇注时使用较高的浇注温度和型壳温度,浇注出的铸件冶金质量优良,满足了设计和使用的要求。

K403与DZ4高温合金的大间隙钎焊

采用两种含钨钎料N171,N300和Rene'95高温合金粉末对K403与DZ4高温合金的大间隙钎焊工艺进行了研究。试验结果表明,在钎焊接头间隙中预填合适粒度的Rene'95高温合金粉末,可实现K403+DZ4的大间隙钎焊。焊后在较高温度进行较长时间的扩散处理,可明显改善大间隙钎焊接头组织,并防止其焊后固溶处理时发生严重重熔,但为避免高温合金粉被钎料过分溶解,在高温扩散处理前,应先在较低温度进行一定时间的热处理。采用N300钎料、预填Rene'95粉钎焊的K403+DZ4大间隙接头经焊后扩散处理,具有良好的高温力学性能,接头900℃的拉伸强度达铸态K403母材的92%,980℃/126MPa条件下持久寿命为135h;再经固溶处理后,接头900℃的拉伸强度超过铸态K403母材水平(677MPa),持久寿命也略有提高。

K403镍基铸造合金热暴露后的微观组织与性能

采用扫描电镜研究了I@03镍基铸造高温合金在850℃下，热暴露50-200h后的微观组织，并分析了力学性能的变化。结果表明：热暴露前后的组织均为典型的树枝晶组织，热暴露后（γ＋γ′）相共晶特征趋于不明显，MC碳化物部分发生分解，在枝晶间、晶界附近和碳化物周围析出有害的TCP脆性相即针状盯相，并且随着热暴露时间的延长，针状盯相析出量增多；合金的名义屈服强度和抗拉强度随热暴露时间的延长而下降，硬度略有提高，塑性降低；针状的σ脆性相的析出是导致合金力学性能下降的主要原因之一。

K403镍基高温合金的高温拉伸断裂行为

利用Gleeble-1500热模拟试验机研究镍基高温合金K403在应变速率为0.01-10 s-1、温度为850-1 000℃条件下的高温拉伸变形行为,利用光学显微镜、扫描电镜、透射电镜等手段,分析拉伸变形后的显微组织及高温断裂机制。结果表明：随应变速率的增大,合金的峰值应力和断裂应力增大,断面收缩率和断裂应变则减小;而随变形温度的升高,合金的峰值应力和断裂应力降低,断面收缩率和断裂应变增大;850℃拉伸后变形组织中存在大量的位错胞状结构,随着变形温度的升高,变形组织中的位错密度减小;拉伸断口呈枝晶组织断裂特征,随着变形温度的升高,合金断裂方式由准解理断裂向沿晶断裂转变。

激光冲击对K403合金激光熔覆修复微观组织和性能的影响

针对激光熔覆修复K403镍基高温合金构件组织粗大和力学性能下降的问题,提出采用激光冲击强化技术对修复区进行表面强化。利用SEM观察不同区域微观组织,利用显微硬度、残余应力和高温拉伸强度测试研究其力学性能。结果表明,激光冲击强化细化试样表层晶粒;强化后,试样基体区和熔覆区表面硬度分别提高21%和8%,影响深度约0.8 mm;激光冲击在试样表层引入约610 MPa且均匀分布的残余压应力,影响深度层达1.2 mm,经保温处理后,应力释放约18%,但在表面仍残留较大的残余压应力;激光冲击提高了材料高温拉伸强度约15%,解决了激光熔覆修复K403镍基构件力学性能下降的问题。

K403合金连续CO_2激光熔覆层质量控制

在K403高温合金的基体上,采用连续CO2激光器熔覆商用司太立合金,分析了激光熔覆层的组织特征和熔覆层熔合质量。结果表明,熔覆层组织由柱状树枝晶和细小等轴晶等构成;良好的熔覆质量与激光熔覆线能量有关,当线能量为200～320 J/mm时可以获得熔合界面良好,无裂纹的熔覆层;熔覆层裂纹与K403合金中沿晶分布的低熔点共晶及碳化物有关。

K403合金高性能钎焊技术研究

用新型镍基钎料3P1对K403合金进行真空钎焊试验,分析钎焊接头的微观组织和连接机制,测试接头高温力学性能。结果表明:采用3P1钎料,在1230℃/10m in+1160℃/4h条件下进行K403合金钎焊,可以获得无缺陷的,与基体组织相似的钎焊接头,其1000℃下高温拉伸强度可以达到基体强度的90%,高温持久强度可以达到基体强度的70%以上。

纳米细化剂对K403高温合金组织的影响

在K403高温合金熔体中加入高熔点TiN纳米细化剂,通过控制凝固结晶参数,对其宏微观组织实行整体细化。结果表明,与普通铸造的K403合金相比,添加了纳米细化剂的K403合金宏观晶粒度明显细化,枝晶间距、碳化物、共晶相的尺寸及数量都有所降低,(γ+γ)′相尺寸和形状更为规则。随细化剂添加量的增加,晶粒尺寸和微观组织进一步细化且均匀度提高。

K403镍基高温合金圆形平板铸件热裂倾向分析及解决措施

针对K403镍基高温合金圆形平板铸件出现的热裂现象,采用有限元模拟软件ProCAST对不同浇注温度下铸件的凝固过程进行对比分析,结合模拟结果对热裂进行预测,并与工艺试验结果对比。结果表明:当浇注温度为1 500℃时,铸件与冒口部位结合处形成最大应力值为61 MPa;当浇注温度1 450℃时最大应力值为39 MPa。实际浇注过程中浇注温度1 500℃条件下产生热裂,而浇注温度1 450℃时未见热裂纹产生。

K403镍基合金Al-Cr涂层组织转变及取向与应力的影响

用物理冶金常用的分析手段对不同取向的K403单晶和多晶材料渗态和高温长时热暴露条件下Al-Cr涂层的组织转变进行分析,研究应力对涂层组织的影响。结果表明,在900℃下,Al-Cr涂层组织稳定性极佳,可经受5000h热暴露。晶体取向对涂层的形成与转变无明显影响,但对σ相的排列与取向有明显作用。此外,应力加速了涂层的增厚和析出相的沉淀与粗化。在1050℃以上,涂层的β→γ转变在1000h内可完成,包括,σM6C相在内的析出相明显粗化,造成涂层组织严重损伤。

K403合金涡轮导向器的精密铸造工艺

采用精密铸造工艺生产K403镍基铸造高温合金涡轮导向器铸件,研究了蜡模快速成型、型壳的制备、浇注系统以及铸造过程对成型工艺的影响,铸造出符合要求的导向器铸件。该研究为叶片类精密铸件的工艺参数控制及优化提供了参考。

细晶铸造K403合金热处理工艺的研究

研究了固溶处理温度对细晶铸造 K40 3合金的组织和性能的影响 ,最终确定热等静压后合适的热处理制度为 :1180 + 1 0℃ /4 h+980℃ /6

复合强化对渗铝K403合金组织和力学性能的影响

针对航空发动机涡轮叶片榫头渗铝污染后产生的尺寸偏大和力学性能下降的问题,采用水吹砂+振动光饰和水吹砂+喷丸强化+振动光饰两种复合方法对渗铝后的K403合金试样进行处理,研究复合方法对K403渗铝试样微观组织和力学性能的影响。对两种方法处理后试样的微观组织、渗铝层元素分布、物相组成、残余应力和疲劳寿命进行测试。结果表明:渗铝后,试样表面存在残余拉应力,渗铝层厚度约27.3μm,主要相为β-NiAl和α-Cr;水吹砂+振动光饰处理后,试样表面产生了360 MPa的残余压应力,试样的疲劳寿命提高了1.49倍;水吹砂+喷丸强化+振动光饰方法处理后,试样表层产生了较大的残余压应力,距离表面0.04 mm处残余压应力值最大,约为686 MPa,应力影响深度约0.2 mm,试样的疲劳寿命提高了3.44倍。

工艺状态对铸造Ni基高温合金K403显微组织的影响

研究了凝固冷速和热处理对铸造镍基高温合金K403显微组织的影响。结果表明,浇注温度为1460℃时,采用880℃填砂造型或950℃单壳浇注可细化合金中的γ′相。铸态的K403合金采用900℃/16h和980℃/5h时效处理能获得由细小M6C和M23C6碳化物组成的弯曲晶界。

基于K403材料的模具切削加工工艺研究

通过对K403材料的特点及加工性能进行分析和试验,为K403材料模具的切削加工对刀具材料、几何参数、切削用量等方面的选择提供了有益的参考。

热处理对K403镍基高温合金组织和性能的影响

采用光学显微镜、扫描电镜对K403镍基高温合金的铸态组织和不同固溶和时效处理后的组织进行了观察,研究了不同固溶和时效处理对K403合金组织、抗拉强度、硬度的影响。结果表明,合金经过1140,1180℃不完全固溶处理后,组织为大小2种尺寸的γ’相;经过1210℃完全固溶处理后空冷,均匀析出0.2μm的γ’相。时效后,合金抗拉强度和硬度得到提高。经1190℃,4h,AC+940℃,16h,AC处理,合金获得最佳的抗拉强度和硬度。经1190℃,4h,AC+980℃,16h,AC处理,γ’相长大到0.6μm,导致合金硬度相对下降。

脉冲CO_2激光熔覆K403合金层工艺研究

在K403合金的基体上,采用脉冲CO2激光器熔覆Stellite合金,研究了脉冲激光峰值功率、扫描速度、脉冲频率和宽度对熔覆层的形状特征和熔合质量的影响。研究结果表明,随着脉冲激光的峰值功率、脉冲宽度、脉冲频率增加,或扫描速度降低,熔覆层的宽度、熔化深度和稀释率增加。采用高峰值功率脉冲激光熔覆可以获得无热裂纹且结合完整的界面。