浇注温度与型壳温度对K4648镍基高温合金组织和性能的影响

针对某型号燃气涡轮导向器用K4648镍基高温合金室温冲击韧性无法达到标准要求(冲击韧性大于20 J·cm^(-2))的问题,在不同的浇注温度与型壳温度(1 490℃/1 050℃,1 490℃/950℃,1 460℃/1 050℃)下制备了K4648镍基高温合金,并进行了固溶+标准热处理,研究了浇注温度与型壳温度对合金显微组织和冲击性能的影响,获得了优化的工艺参数。结果表明:当型壳温度或浇注温度较低时,K4648镍基高温合金的晶粒尺寸和二次枝晶间距较小,块状初生α-Cr相含量较少、尺寸较小,合金的冲击韧性较大,冲击断口处次生裂纹数量较少;优化工艺参数为型壳温度950℃、浇注温度1 490℃,此工艺参数下制备的K4648镍基高温合金的冲击韧性最大,为21.4 J·cm^(-2),满足标准要求。

二次固溶加时效对K4648镍基高温合金组织与性能的影响

采用扫描电镜、能谱仪和拉伸试验等研究了二次固溶加时效对K4648镍基高温合金组织与性能的影响。结果表明:二次固溶加时效处理后,合金中析出了尺寸更大的针状α相,M_(23)C_(6)碳化物的尺寸变小;随着二次固溶温度的升高,针状α相逐渐粗化,M_(23)C_(6)数量增多且大部分在晶界处连续分布。经过二次固溶加时效处理,合金抗拉强度显著提高,塑性略有下降。K4648合金的最佳二次固溶温度为1200℃,此时合金的抗拉强度达到810 MPa,相比一次固溶加时效提高了约39%,伸长率略微下降,从17.2%降为15.3%。

AuNi钎料钎焊TA15与K4648接头微观组织及性能

TA15钛合金与K4648高温合金异质连接件可用于航空航天发动机部件,对实现发动机轻量化及提高推重比具有重要意义。采用Au-17.5Ni(wt.%)钎料对TA15钛合金与K4648高温合金异质金属进行钎焊,研究了钎焊接头的界面组织与形成机制,分析了钎焊温度与保温时间对接头组织与性能的影响。结果表明,钎焊接头的典型组织为:TA15/β-Ti+Ti_(2)Ni+Ti_(3)Au/Ti_(2)Ni+Ti_(3)Au/富Ti相/Ti-Cr-Ni三元Laves相/(Cr,Ni)固溶体/K4648。液态钎料中的Au、Ni元素向两侧母材中扩散,同时TA15一侧母材溶解,大量Ti元素与钎缝中的Au、Ni反应,在TA15界面生成β-Ti与Ti_(3)Au、Ti_(2)Ni共析组织;溶解的Ti元素扩散至K4648界面富集并与Cr、Ni反应,生成Laves相反应层;当使用AuNi钎料在1000℃保温10 min时,接头拉剪强度最高为72 MPa。

稀土元素钇对K4648高温合金性能的影响

采用不含钇和含0.02%钇的两种配方,同一工艺路线经过固溶和时效后,对不加钇和加钇的K4648合金试样分别进行室温拉伸试验、高温持久试验和抗氧化试验。结果表明,加入0.02%钇后,断后伸长率平均值由9.6%提升至14.5%;冲击韧性平均值由21.5 J/cm^(2)提升至24.4J/cm^(2);在环境温度800℃并施加206 MPa应力下,试样持久寿命由50 h提升至60 h;合金的抗氧化性能也得到进一步提升,但对合金室温拉伸强度影响不大。

高Cr铸造镍基高温合金K4648与陶瓷型芯的界面反应研究

采用金相显微镜、扫描电镜及能谱、电子探针和X射线衍射对高Cr铸造镍基高温合金K4648等轴晶和定向凝固铸件的合金/陶瓷型芯界面反应进行了系统研究,获得反应时间与反应量关系的界面反应动力学曲线、不同反应时间的反应界面形貌及产物的种类。结果表明:高Cr铸造镍基高温合金K4648与铝基型芯不易发生反应,而与硅基陶瓷型芯发生剧烈的界面反应,反应产生金属瘤状凸起物,造成铸件内腔破坏。此外,白色的硅基型芯内部变成黑色,黑色反应区内含有一定量的Cr,Al,Ti元素。在反应的中、后期型芯黑色反应区内还存在着灰色区,该区的Cr,Al,Ti含量远高于黑色反应区。高Cr铸造镍基高温合金K4648合金与硅基陶瓷型芯反应分为:(1)富Cr,Al,Ti熔体向型芯内的渗入阶段;(2)富Cr,Al,Ti熔体与陶瓷型芯SiO2基体的反应;(3)富Cr,Al,Ti的熔体与型芯中Zr-SiO4颗粒反应三个阶段。反应过程中型芯存在局部液化现象。K4648合金/硅基陶瓷型界面反应产物主要为层状或树枝状Al2O3,块状Cr3Si金属间化合物、ZrO2,富Cr,Zr,Al,Ti的复合氧化物、共晶形态的富Cr,Si,Al,Ti的复合氧化物、块状或树枝状的富Ti,Al,Zr,Cr复合氧化物。反应产物中的Cr,Al,Ti元素来自合金熔体而Zr,Si,O来自陶瓷型芯。

高Cr铸造镍基高温合金K4648凝固行为的研究

采用等温凝固淬火工艺与差热扫描量热相结合的方法对高Cr铸造镍基高温合金K4648的凝固过程进行研究,得到合金在不同温度下的等温凝固组织、相析出顺序图和凝固特性曲线。结果表明:K4648合金的液相线温度为1340℃,由DSC确定的宏观固相线(3.1%残余液相,体积分数,下同)和等温凝固法确定的微观固相线(0.5%残余液相)温度分别为1248和1180℃。K4648合金固、液相线温度范围内的初生相主要为MC碳化物和α-Cr相,它们的析出温度分别为1310和1190℃。初生α-Cr相固溶30%(原子分数)以上的Ni,显微硬度是基体的3倍,是一种脆性相。凝固过程中Cr的严重枝晶间偏析促进了该相的形成,初生α-Cr相在铸造过程中应加以控制。

高Cr铸造镍基高温合金K4648的母合金净度研究

对两炉冲击韧性存在明显差异的高Cr铸造镍基高温合金K4648进行了对比研究,通过分析两炉母合金的主量元素和气体含量,采用电子束纽扣锭(EB锭)实验观察合金内夹杂物和对母合金用原材料金属Cr的显微组织分析等方法研究了K4648母合金净度。结果表明:1#与2#炉批母合金主量元素无明显差别。1#母合金由于气体元素O含量高达(20.5±7.5)×10-6,远高于2#合金的6×10-6,造成其室温冲击韧性(aku)不及2#合金的一半,低于技术条件要求的19.6J/cm2。电子束纽扣锭(EB锭)实验可有效地将K4648中的夹杂物汇聚,经分析主要是富Y,Ce的氧化物和富Al氧化物。证明高Cr铸造镍基高温合金K4648中添加稀土元素Y,Ce可有效攫取合金中自由态的O和S,生成稳定的稀土氧化物或硫化物,起到净化合金的作用。K4648母合金原材料中金属Cr基体中固溶有15%(质量分数)的元素O,还分布有富Cr氧化物和Cr,Al,Si的复合氧化物。此外,还存在含N、贫O区域,该区域的维氏显微硬度可达8.2GPa,是Cr基体1.3GPa的6倍,证明N使金属Cr的硬度明显升高。

高Cr铸造Ni基高温合金K4648的显微组织

真空感应熔炼高Cr铸造Ni基高温合金K4648,重熔浇注成等轴晶成形试棒。对薄截面试棒和厚截面中柱管浇道进行(1180℃,4h)固溶处理和(1180℃,4h)+(900℃,16h)标准热处理。铸态和热处理态试样通过光学金相、定量金相、扫描电镜及能谱分析和X射线衍射分析确定合金中相的种类、形貌和成分。结果表明:K4648合金铸态组织中主要存在γ基体、初生α相和MC碳化物;初生α相是Ni、Mo和W在Cr中的过饱和固溶体,其中Ni含量(摩尔分数)可达30%以上,本研究中的α相可命名为α-(Cr,Ni);在0.2N载荷下,该α相的维氏显微硬度值为6.3GPa,是一种硬而脆的相;经(1180℃,4h)固溶处理,初生α相和MC碳化物都会回溶,并且转变为M23C6碳化物,M23C6碳化物比初生α相具有更高的Cr含量和更低的Ni含量。固溶处理后特别是在厚截面试样中还残存未转变的α相和MC碳化物。(1180℃,4h)+(900℃,16h)标准热处理后,合金内部广泛析出片状次生α相和γ′-Ni3(Al,Ti,Nb)相,且在晶界区补充析出粒状M23C6碳化物,起到强化合金的作用。

铸造工艺对K4648合金热疲劳性能的影响

通过调整铸造工艺参数,研究了K4648合金的组织结构与工艺参数变化之间的关系,进而获得铸造工艺对热疲劳性能的影响规律。对合金经90020℃循环条件下热疲劳试验后的试样表面形貌进行观察分析,研究了晶粒尺寸及晶界结构对合金热疲劳性能的作用机制。研究结果表明:随着浇注温度的升高,合金的晶粒平均尺寸增大,而模壳温度的提高对合金的晶粒尺寸影响不大,采用沙箱+保温棉造型方式可细化合金晶粒。热疲劳主裂纹从V形缺口处萌生,裂纹以穿晶模式扩展。通过调整浇注工艺细化晶粒,并使得晶界结构呈锯齿态,可降低裂纹扩展速率,提升合金的热疲劳性能。

调整浇注工艺调整与控制碳含量对抑制K4648合金稳定器热疲劳裂纹萌生的研究

通过对航空发动机加力稳定器(K4648合金制)人工断口的显微形貌观察,发现断口形貌符合典型的疲劳断口特征,失效模式为热疲劳断裂。开展了针对调整浇注参数及控制碳含量以改善合金热疲劳性能的的研究。结果表明:降低浇注温度与提高模具温度均可有效减小晶粒尺寸,且组织形态也发生相应的变化。外置保温套与提高模具温度可促进晶界连续碳化物向链状转变;而降低碳含量促进合金组织均匀化程度升高,且晶界碳化物含量减少,晶内片层状α-Cr部分发生球化。调整浇注参数与降低碳含量对抑制合金热疲劳裂纹均有效。施加保温套,提高模壳温度并降低合金碳含量后的综合效果更佳。

K4648合金中空盲管薄壁件无余量精密铸造工艺研究

K4648合金梁为某型号航空发动机尾喷口的核心部件,采用无余量精密铸造工艺铸造而成。该部件为大尺寸中空盲管薄壁件,长度约450mm,管壁厚2.5~3mm。该铸件在铸造过程极易产生疏松和裂纹缺陷,冶金质量难以控制,此外该部件在铸造过程中变形较大,尺寸精度控制困难。针对该部件冶金质量控制及变形等问题,本文对梁部件熔模制备方案、浇注系统设计、浇注工艺及铸件校形工艺等方面进行了系统的研究,研制的K4648合金梁铸件冶金质量优良、尺寸精确。

C、Cr含量对K4648组织和力学性能的影响

通过调整不同的C、Cr含量,研究对K4648合金组织和力学性能的影响。热力学计算结果表明,K4648合金中主要平衡析出相为α-Cr、γ'相、M23C6碳化物,从合金组织中观察到多种形状的α-Cr及沿晶界析出的Cr23C6,其中α-Cr、γ'相的析出量随Cr含量的升高而增大,随C含量的升高而降低,C含量的升高有利于碳化物的形成,合金的室温拉伸性能、冲击性能均受成分的影响。

热处理工艺对K4648合金组织和力学性能的影响

研究了不同热处理工艺参数对K4648合金组织、室温拉伸性能和冲击韧性的影响。结果表明：随固溶温度升高，合金中析出的针状α—Cr相数量增多，合金的拉伸强度增高，韧塑性降低。较长的固溶时间有利于提高和改善合金的冲击韧性及综合性能。随时效温度降低，析出的α—Cr相形态由针状变成粒状，粒状的α—Cr相有利于合金的韧化。

时效处理对K4648高温合金组织和性能的影响

K4648是一种高铬镍基时效沉淀强化型高温合金。时效处理工艺对K4648高温合金的组织和性能有较大的影响。不同的热处理工艺会影响Ⅱ．cr相和铬的碳化物析出。本文对制备出的K4648高温合金进行了一系列热处理工艺试验，结果表明，合金中Ⅱ．Cr相的析出形态、数量对热处理工艺极为敏感。通过力学性能测试进一步表明合金的室温拉伸性能、冲击性能均受n—cr相形态、数量的影响。随着时效温度的提高，合金室温拉伸强度逐渐下降，延伸率和断面收缩率逐渐升高，室温冲击韧性升高到一定程度后保持不变。

一种铸造镍基高温合金的显微组织和冲击性能

通过金相显微镜、扫描电镜研究了试验K4648合金的显微组织及其冲击断口形貌,并分析了试验合金冲击吸收功偏低的原因。结果表明:试验K4648合金试棒经过1 180℃×4 h空冷+900℃×16 h空冷热处理后,显微组织由γ基体和在γ基体上析出的捆编织针状α-Cr相和细小颗粒状M23C6型碳化物以及分布在晶界和枝晶间的初生链状分布的较大尺寸α-Cr相组成。初生链状α-Cr相是造成试验K4648合金冲击吸收功偏低的主要原因。