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。

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 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.

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。

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。

选区激光熔融Inconel 718的微铣削加工参数优化

选区激光熔融(SLM)Inconel 718成形件广泛应用于航空航天、汽车轨交和石油化工等领域,但成形件表面精度较差,需通过切削提升表面精度。以表面粗糙度为优化目标,开展了以主轴转速、切削深度、每齿进给量为变量的三因素四水平微铣削正交实验,通过极差分析研究了主轴转速、切削深度及每齿进给量对表面粗糙度影响的显著性。结果表明,在n=15000 r/min、ap=60μm、f=1μm/z的加工参数下,SLM成形件的表面粗糙度值最低。优化后的参数组合为SLM Inconel 718的微铣削加工提供了参考。

Cu掺杂对Inconel 718合金Laves相稳定性的影响

采用第一性原理计算与实验相结合的方法,研究了Cu掺杂对Inconel 718合金中Laves相的影响。构建了Laves相Fe_(8)Nb_(4)晶胞的掺杂模型,计算分析了Cu掺杂前后体系的平衡晶格常数、形成热、结合能、电荷差分密度以及弹性常数等。计算结果表明,Cu元素掺杂Laves相后,体系发生晶格畸变,稳定性降低;Cu原子掺杂增加了Laves相的硬度,但对体系塑性的影响比较复杂。实验结果表明,Cu能够固溶到Laves相中,降低Laves相的固溶温度,Cu掺杂Laves相导致体系原子间结合强度的降低是造成Laves相固溶温度降低的本质原因。

扫描方式及激光重熔对激光选区熔化成形Inconel 718力学性能的影响

采用激光选区熔化技术成形Inconel 718合金,通过对抗拉强度、断后延伸率、硬度和致密度以及组织形貌的探讨,研究了扫描方式及激光重熔的工艺对Inconel 718合金力学性能的影响。结果表明,扫描方式和激光重熔对力学性能都有一定的影响。扫描方式对抗拉强度影响较大,对致密度影响较小,连续型扫描的抗拉强度最高为1059 MPa且高于铸件,不同扫描方式下的断后延伸率均高于21%;激光重熔减少了孔隙缺陷,致密度提高至99%以上,但会引发晶粒粗化和裂纹扩展,重熔前后不同扫描方式样件的抗拉强度差别都小于1%。在高温下,连续型扫描下的断后伸长率提高了15%。

Inconel 718介观尺度薄壁件微铣削力预测

Inconel 718介观尺度薄壁件在航空航天、医疗和通讯等领域的需求日益增长.薄壁微铣削变形是领域内的难题,而微铣削力是引起加工变形的重要因素.为实现薄壁微铣削力的预测,建立了Inconel 718薄壁微铣削加工过程的有限元仿真模型,以及微铣刀和薄壁件的几何模型,完成了网格划分,并验证了网格独立性.采用Johnson-Cook本构模型和失效准则描述材料本构关系和切屑分离准则,修正库仑模型描述摩擦特性.对比薄壁微铣削过程仿真模型输出的微铣削力与实验测量结果,最大和平均相对误差分别为11.23%,7.04%,验证了模型的有效性和准确性.

Inconel 718高温合金增减材复合制造各向异性及切削温度影响分析

结合定向能量沉积增材制造和铣削加工的增减材复合制造不仅可以实现高效加工,而且能够及时消除缺陷,使加工材料达到较高的加工精度,但是制造过程中铣削温度和增减材切换产生的界面对零件性能影响还不明晰。以Inconel 718高温合金为原料制备薄壁结构,对比室温及高温铣削影响,分析其不同朝向的性能。结果表明,竖直方向的综合力学性能低于其他方向,在倾斜45°方向时,高温铣削的性能优于室温铣削,层间增减材复合制造试样获得最大拉伸强度。

Inconel 718高温合金单层多道激光熔覆成形工艺优化

为提高镍基高温合金激光熔覆成形质量,采用正交试验法,分析Inconel 718高温合金在不同工艺参数(激光功率、扫描速度、送粉速率和搭接率)下,单层多道激光熔覆表面平整度和熔覆宽度的变化规律。结合综合评分法,得到成形质量最佳工艺条件为激光功率2100 W,扫描速度19 mm/s,送粉速率2 r/min,搭接率30%;其中,搭接率对熔覆层表面平整度和熔覆宽度的影响最大,送粉速率对表面平整度影响最小,激光功率对熔覆层宽度影响最小。

Si对Inconel 718合金中γ相影响的第一性原理研究

随着航空航天、能源化工等领域的快速发展,人们对高温合金的性能提出了更高的期望.Inconel 718(简称IN 718)是目前用量最大的镍基高温合金,目前国内外关于Si对IN 718合金组织与性能影响的研究,尤其是在微观尺度上的研究,还存在大量空白.本文从第一性原理计算出发研究了Si掺杂对IN 718合金中γ相的影响,计算了Si掺杂前后γ相的晶格常数、总能量、缺陷形成能、形成热、结合能、态密度和差分电荷密度,并进行了布居分析.同时利用等离子熔覆的方法制备了IN 718涂层以及Si质量分数为2%的IN 718涂层,并对其进行显微组织及相结构的分析.计算结果表明,Si的掺杂改变了体系内原子的交互作用,影响了原子之间的价电子数量、电荷密度分布及原子之间键合的强度,从而扩大了γ相的晶胞体积,同时降低了γ相的稳定性.实验结果表明,Si掺杂会使得IN 718合金涂层组织发生由柱状晶向等轴晶的转变,并降低IN 718合金中γ相的体积分数,同时,Si掺杂会加剧合金组织内Nb和Cr元素的偏析.

水射流引导激光制造Inconel 718合金沟槽结构的研究

为了探究水射流引导激光(WJGL)技术在Inconel 718合金上制造沟槽结构的规律特征,在自行研发的水导激光设备上设计并进行了多组单因素实验,分析了水射流速度和激光能量密度对沟槽结构的深度、宽度以及毛刺尺寸的影响规律。实验结果表明,激光能量密度对沟槽结构尺寸的影响程度要高于水射流速度,在喷嘴孔径固定不变的条件下,激光能量密度和水射流速度对沟槽结构宽度的影响很小。采用孔径为0.5 mm的喷嘴,当水射流速度固定为60 m/s,激光功率密度为40 J/cm~2时,获得最大沟槽平均深度为523μm;当激光能量密度为10 J/cm~2时,获得最窄沟槽平均宽度为403μm;当激光能量密度为40 J/cm~2时,获得最小毛刺平均尺寸为54μm。根据理论分析得出,水导激光技术去除Inconel 718合金的机制是通过激光烧蚀并熔化材料,水射流将熔融物冲刷去除。

电子束精炼及层覆凝固Inconel 718合金的流变行为及本构方程

对电子束层覆凝固Inconel 718合金(EBLS 718合金)和电子束精炼Inconel 718合金(EBS 718合金)进行等温压缩试验,变形温度分别为1010,1050,1100,1140℃,应变速率分别为0.001,0.01,0.1,1 s^(-1),对比研究了2种合金的热变形流变行为,基于Arrhenius本构方程建立了2种合金的本构方程。结果表明:2种合金在不同变形温度和应变速率下的流变行为相似;流变应力均随着应变速率的增加而增大,随着变形温度升高而降低;由于存在层覆界面,EBLS 718合金在热压缩变形过程中在更低温度下出现了屈服下降现象,变形激活能更低,动态软化效应更加明显;2种合金变形机制均主要为晶格自扩散引起的高温攀移机制。

Inconel 718镍基高温合金超声振动辅助钻削的刀具磨损实验研究

针对Inconel 718镍基高温合金在钻削过程中刀具磨损严重的问题,提出了采用超声振动辅助钻削的方法进行加工,并研究了超声辅助钻削加工Inconel 718镍基高温合金刀具磨损的影响因素。设计并开展了多因素对比试验,对同一把刀具在不同钻孔数量下的微观形貌、钻削轴向力、钻削温度和孔壁表面粗糙度进行研究,并通过这四个方面来研究刀具磨损情况。研究结果表明:与传统钻削相比,超声振动辅助钻削Inconel 718镍基高温合金可以减小钻削轴向力、钻削温度和表面粗糙度,改善刀具磨损情况。

Inconel 718激光熔覆合金层切向微动磨损特性研究

采用激光熔覆沉积技术制备Inconel 718合金试样,通过自主研制的多功能复合微动摩擦磨损试验机,在平面/球的点接触模式下进行切向微动磨损试验,探究合金试样在不同法向载荷和不同位移幅值下的磨损特性.试验结束后,对获得的摩擦力-位移曲线、摩擦系数曲线和耗散能等结果进行详细的动力学特性分析,再采用扫描电子显微镜和三维形貌仪对磨损表面及磨痕截面进行微观分析,得到其磨损形貌及主要的磨损机制.结果表明:当位移幅值不变时,随着法向载荷的增加,微动运行状态由完全滑移区转变成混合区,材料的磨损损伤逐渐加剧,微动磨损导致的能量耗散增加;随着位移幅值增加,材料的磨损损伤同样加剧;微动磨损区域出现裂纹的萌生和扩展现象,其主要的磨损机制为疲劳磨损、氧化磨损和磨粒磨损.

Inconel 718合金激光熔覆Stellite3/Ti_(3)SiC_(2)复合涂层摩擦学性能研究

为了探究高温下Inconel 718合金的摩擦学性能,使用激光熔覆制备了三种不同粉末质量配比的复合涂层:Stellite3-5%Ti_(3)SiC_(2)(C1)、Stellite3-10%Ti_(3)SiC_(2)(C2)和Stellite3-15%Ti_(3)SiC_(2)(C3)(均为质量分数),并通过物相分析、组织形貌和显微硬度分析,探究其在室温和600℃条件下的摩擦学行为.结果表明,涂层中主要含有γ-Co、(Fe,Ni)固溶体,金属间化合物Cr_(2)Ni_(3)以及碳化物WCx、TiC和Cr_(7)C_(3),由于硬质相碳化物的存在,涂层的显微硬度提高到基体(262.7 HV_(0.5))的1.6~2.5倍,分别为662.74 HV_(0.5)、521.47 HV_(0.5)和419.44 HV_(0.5),并且摩擦学性能也有所改善,其中室温下效果最好的为C1涂层,摩擦系数降低了20.52%,耐磨性提高了85.45%;600℃下性能最好的为C2涂层,耐磨性提高了79.53%.室温时基体、C1及C2涂层出现塑性变形和磨粒磨损,C3涂层由于硬度较低出现黏着磨损.600℃下各样品均发生氧化磨损,其中氧化、黏着磨损和严重塑性变形为基体的磨损机理,三种涂层由于加入了Ti_(3)SiC_(2)导致磨损减轻,除氧化外主要为磨粒磨损.

刀具几何参数对Inconel 718切削力影响的仿真研究

Inconel 718是一种具有高硬度、高热强性和低导热性的难加工材料,切削加工中产生的较大切削力导致工件质量和刀具寿命的降低。由于刀具几何参数对切削力有很大的影响,因此通过仿真手段研究了Inconel 718斜角切削加工中前角、后角、钝圆半径、刃倾角和主偏角五个参数对切削力的影响,获得了刀具几何参数的最优方案,并建立了切削力的回归模型。结果表明,在给定的参数范围内,各因素对切削力影响的主次顺序为钝圆半径、前角、主偏角、后角和刃倾角;获得最小切削力的参数组合为前角5°、后角6°、钝圆半径0 mm、刃倾角10°、主偏角55°。

基于DEFORM对Inconel 718合金车削加工的刀具磨损仿真研究

为了研究切削参数对难加工材料Inconel 718合金刀具磨损的影响规律,基于DEFORM软件对Inconel718合金材料进行正交切削仿真试验,研究结果为车削Inconel 718合金零件提供理论支持。

固溶时间对Inconel 718合金叶片组织及硬度的影响

以选区激光熔化成型Inconel 718合金叶片为研究对象,利用扫描电子显微镜和显微硬度计对沉积态及热处理态叶片模型进行微观组织和硬度分析。分析结果表明:沉积态叶片主要由不规则晶粒组成,晶粒内部均为胞状亚结构,胞状亚结构的胞壁处富含Nb、Mo元素,合金硬度约为HV300;沉积态叶片经1065℃/2 h/FC热处理后,晶界清晰可见,晶粒内部的胞状亚结构基本消失,合金硬度上升至HV435;进一步延长热处理时间(4 h)后,晶粒内部出现退火孪晶界,合金硬度值略有降低,约为HV415。