大尺寸变形FGH96高温合金涡轮盘晶粒尺寸和硬度相关性的表征

对大尺寸镍基变形FGH96高温合金涡轮盘沿径向进行了平均晶粒尺寸的统计分析,以及相应的硬度表征。结果表明:从盘中心到盘边缘,晶粒尺寸呈现增大的趋势,而硬度呈现递减的趋势;此外,从盘心到盘缘,局部硬度数值出现波动,是受盘件形状的影响造成的。

粉末冶金高温合金FGH96的热加工图及热压缩变形过程的开裂行为

采用Gleeble3180D型热模拟试验机对热挤压态FGH96合金在变形温度1020-1140℃，应变速率O．001-1．0s^-1进行热压缩实验，分析真应力一真应变曲线，绘制热加工图。并针对热挤压态粉末冶金高温合金FGH96在热压缩温度低于1080℃时的开裂现象，利用热模拟压缩实验方法，确定在变形温度为1050℃、应变速率为0．001-1．0s^-1的热压缩变形过程中的开裂临界应变量，观察变形后试样的裂纹形貌和显微组织，并利用有限元分析方法对热压缩变形过程进行模拟。结果表明：试样中部位置受拉应力作用沿着变形方向产生鼓形变形，当达到临界应变量后，产生呈沿晶断裂的宏观裂纹，并且随着应变速率的减小，裂纹产生的临界应变量逐渐减小；在低应变速率条件下，在宏观裂纹产生之前，试样内部晶粒之间出现了微观开裂的现象，并造成应力下降。

FGH96镍基粉末高温合金的组织和性能

采用等离子旋转电极法制备FGH96 合金粉末,研究了用两种不同成形工艺制备的合金的组织和性能,同时对FGH96粉末高温合金的持久断裂行为和裂纹扩展速率进行了分析和研究。

FGH96高温合金中γ'相完全溶解温度的研究

采用相图、差热分析、热处理3种不同的方法综合研究FGH96粉末高温合金中强化相γ'的完全溶解温度。从Thermo-calc软件模拟相图可知,γ'相在950～1115℃时大量溶解,完全溶解的温度为1115℃;采用差热分析法确定强化相的完全溶解温度在1120～1137℃;采用不同温度热处理后金相组织的变化来确定γ'相的完全溶解温度,发现γ'相在1100℃以下大量存在,在1100～1110℃迅速减少,在1120℃完全消失。综合3种方法,可确定平衡状态下γ'相的完全溶解温度在1110～1120℃。

FGH96高温合金中一次碳化物形成规律

基于Thermo-Calc热力学计算软件及相应的Ni基数据库,对FGH96高温合金中一次碳化物的生成机理进行研究,计算FGH96高温合金可能的平衡析出相及C、N、Nb、Ti元素对合金中一次碳化物相MC+M(C,N)析出行为的影响,对比分析FGH96高温合金中一次碳化物相的计算结果与扫描电镜图及能谱分析的化学成分。结果表明:C含量对一次碳化物相的析出量影响较大,而对析出温度影响较小;N含量对析出温度有非常明显的影响,而对一次碳化物相的析出量影响较小;Nb和Ti含量对FGH96高温合金中一次碳化物相的析出行为只有轻微的影响。因此,FGH96高温合金中一次碳化物相的析出行为主要受C和N的影响。由计算得出的一次碳化物相的成分变化结果结合扫描电镜图和能谱分析结果可推断出,FGH96高温合金中含有N时,首先从液态合金中析出含有微量C的氮化物TiN,两相区析出的MC型碳化物会在TiN表面析出,形成以TiN为核心的一次碳氮化物M(C,N)。

热处理对FGH96粉末高温合金裂纹扩展速率的影响

研究不同热处理条件下FGH96粉末高温合金在650℃空气中疲劳/蠕变交互作用下的裂纹扩展速率,分析不同热处理对FGH96粉末高温合金裂纹扩展速率的影响规律。结果表明:提高固溶温度和盐浴温度可降低合金的裂纹扩展速率,固溶温度对裂纹扩展速率的作用程度大于盐浴温度的作用程度。降低时效温度和缩短时效时间也可延缓合金的裂纹扩展速率,时效温度对裂纹扩展速率的影响大于时效时间。另外,增加保载时间可以加快合金的裂纹扩展速率,但保载时间的影响随着时效温度的升高而减小。

氩气雾化法制备FGH96高温合金粉末颗粒的凝固组织

利用扫描电镜（SEM）对氩气雾化（argon gas atomization,缩写AA）工艺制备的FGH96高温合金原始粉末颗粒的粘结形式、凝固组织、表面和内部形貌及其形成机理进行研究。结果表明：AA法制备的FGH96合金粉末,在颗粒尺寸d≥40μm时,颗粒之间出现凸起式粘结、包覆式粘结以及葫芦式粘结,其中凸起式粘结是主要的粘结形式。原始粉末颗粒的表面与内部形貌显示,在颗粒尺寸d≤30μm时主要是微晶和胞状晶;当颗粒尺寸d≥30μm时,随着颗粒尺寸增大,组织逐渐由胞状晶向树枝晶转变,并且＂多点形核＂产生的放射状树枝晶的数量增多。树枝晶的二次枝晶臂距λ与颗粒尺寸d之间呈线性关系：λ=0.766＋1.61×10-2 d。粉末凝固冷却速率在103~105 K/s范围,高于传统显微组织的冷却速率,低于产生特殊显微组织的冷却速率;因此出现传统的树枝晶、胞状晶组织,但更加细小,未出现特殊的显微组织,却产生了1~2μm的微晶组织。

热等静压温度对FGH96粉末高温合金显微组织的影响

热等静压工艺在飞机发动机粉末盘的研制中是一个关键热工艺,对粉末高温合金盘形件的组织、性能起重要作用。选择4种热等静压温度,对不同热等静压工艺后的组织进行研究。实验结果表明,提高热等静压温度可以促进消除残余枝晶,促进基体再结晶及再结晶晶粒长大,促进一次γ′相溶解和二次γ′相形核和长大。

FGH96高温合金的凝固过程及元素平衡分配系数的研究

基于Scheil-Gulliver凝固模型,采用热力学计算软件Thermo-Calce及相应的Ni基数据库,对FGH96高温合金的凝固过程进行了热力学模拟计算,以揭示FGH96合金凝固过程中各相的析出规律,及凝固过程中各元素的偏析行为;并用Scheil-Gulliver方程对残余液相中各合金元素的质量分数随固相分数的变化进行回归,得到了各元素的平衡分配系数。结果表明,在FGH96合金凝固过程中,当固相分数达到0.7、0.94、0.98时由残余液相中分别开始析出MC型碳化物、TCP相、γ′相;B、C、Mo、Nb、Ti、Zr、Si的平衡分配系数小于1,而Co、Cr、W、Fe、Al的平衡分配系数大于1。

激光快速成型FGH96高温合金的显微组织及缺陷分析

以激光快速成型FGH96粉末高温合金为研究对象,采用光学及扫描电子显微镜对沉积态与固溶时效后的显微组织结构进行表征,并分析微观组织与缺陷的特征及形成原因;对两种状态试样进行室温拉伸试验,对比二者的力学性能,并采用体式显微镜及扫描电子显微镜对断口进行观察,分析断裂特征。结果显示:激光快速成型FGH96沉积态组织主要为垂直于熔覆界面的柱状晶,晶内为细密树枝晶,碳化物聚集于枝晶间;重熔区内枝晶结构明显粗大,显示为白亮色;激光快速成型FGH96材料中的主要缺陷为微裂纹,沉积态微裂纹存在于枝晶间,并沿晶界扩展;固溶时效后为典型沿晶裂纹;固溶时效后,FGH96中碳化物减少,组织更加均匀,晶粒尺寸减小,力学性能较沉积态有所提高。

FGH96粉末高温合金损伤行为与寿命预测

粉末高温合金中缺陷,尤其是非金属夹杂缺陷不可避免。为了对粉末高温合金的可靠应用,除需在工艺上进行控制以减少缺陷外,还必须研究缺陷对粉末高温合金的损伤行为,及根据粉末高温合金的疲劳特性研究粉末高温合金的寿命预测方法。针对我国先进航空发动机涡轮盘选材的第二代损伤容限型粉末高温合金FGH96,分析了国内外粉末高温合金的发展与应用状况,叙述了其缺陷特性以及缺陷对FGH96粉末高温合金的影响规律,介绍了FGH96粉末高温合金的断裂特征以及裂纹萌生与扩展特性,分析了粉末高温合金寿命预测研究的相关工作,并探索性阐述了基于原始疲劳质量的粉末高温合金寿命预测方法。

FGH96高温合金惯性摩擦焊接头表面温度场研究

采用红外热像仪实时检测惯性摩擦焊接过程中接头的表面温度场。结合热电偶测温和红外测温,对FGH96高温合金的发射率进行标定,从而较准确地设定发射率,减少测温误差。在惯性摩擦焊接的不同阶段,对接头表面温度的轴向变化规律进行分析,并探讨了焊接工艺参数对接头表面轴向中点热循环的影响。

致密FGH95合金的高温变形特性研究

通过等温恒应变速率压缩实验，系统地研究了不同预处理、热力参数及分段变速变形对致密 ＦＧＨ９５合金高温变形特性的影响．研究结果表明，经热等静压致密的ＦＧＨ９５合金坯料，可以通过适当的预处理，以改变ＦＧＨ９５合金中γ'相的大小、形态及分布，从而降低合金的流动应力．对于经预处理的ＦＧＨ９５合金坯料，采用分段变速变形可以进一步降低合金的流动应力。

制粉方式对粉末高温合金FGH98热变形特性的影响

通过等温恒应变速率压缩试验,研究了2种FGH98合金粉末热等静压锭坯在1 050~1 150℃/0.005~1.000 s-1的变形行为。基于动态材料模型,建立了2种粉末锭坯的热加工图。结果表明,2种粉末锭坯的流变曲线特征相似,同种变形条件下,氩气雾化（AA）粉末锭坯的峰值应力小于等离子旋转电极（PREP）粉末锭坯。AA粉末锭坯的最佳变形窗口为1 088~1 108℃/0.005~0.016 s-1,功率耗散效率η大于42%;PREP粉末锭坯的最佳变形窗口为1 098~1 120℃/0.010~0.016 s-1,η大于40%。

变形温度及变形量对挤压态FGH96合金晶粒异常长大的影响

基于楔形试样等温锻造试验,采用Deform-3D模拟软件,模拟确定了楔形试样中不同位置的变形量,研究了不同变形温度和不同变形量对挤压态FGH96合金晶粒异常长大的影响。结果表明：在压下速率0.04 mm/s的平模镦粗试验条件下,挤压态FGH96合金出晶粒异常长大的临界变形温度为1100℃,临界变形量为2%;1000-1070℃锻造变形时,合金不易发生晶粒异常长大,但也有“临界变形量”特征,变形量5%-10%区域晶粒平均直径最大;选择15%及以上的变形量,可以避免晶粒异常长大,并获得均匀细小的晶粒组织。

激光增材制造FGH96镍基高温合金柱状晶微观组织研究

利用EBSD技术对激光增材制造FGH96镍基高温合金的柱状晶显微组织进行了研究,结果表明:激光增材制造FGH96镍基高温合金基本上为柱状晶组织,接近表面生成细小等轴晶。所制备不同厚度合金中的组织和织构存在差别,厚度为2mm时,组织主要以具有15°小角度晶界的柱状晶为主,大角度晶界只占约4%,柱状晶大部分为立方织构{001}〈100〉,含量为83.3%;厚度为5mm时,组织主要为柱状晶和等轴晶,柱状晶中全部为10°以下小角度晶界,柱状晶区域织构主要是{001}〈120〉和{001}〈230〉,含量分别为34.8%和43.3%,等轴晶区域主要存在一种织构{113}〈141〉,其含量为98.3%,等轴晶中主要存在5°以下的小角度晶界。

变形FGH96合金涡轮盘物理化学相分析

通过采用物理化学相分析方法对镍基变形FGH96高温合金涡轮盘盘心部分厚度方向上不同位置所取的样品进行分析,在不同的电解液和电解条件下进行电解提取出析出相,然后借助X射线衍射仪(XRD)、电感耦合等离子体原子发射光谱仪(ICP-AES)等手段对相及各相的元素含量进行分析,确定了合金的析出相类型、含量和组成结构式,并将其与各位置的高温蠕变性能差异进行比较和分析,得到涡轮盘厚度方向上微观相的信息并推测其对材料性能的影响,进而探讨指导对工艺生产的改进。研究结果表明:变形FGH96合金涡轮盘厚度方向上γ′相粒径和含量、碳化物和硼化物含量变化较大;在变形FGH96合金涡轮盘厚度方向上,各部位的γ′相质量分数都在30%左右。而且各个部位的γ′相含量存在波动,从目前测得的结果来看,质量分数最高和最低的地方相差约5.7%。各个位置处γ′相的含量和粒径,在涡轮盘厚度方向上越靠近中心处γ′相的粒径越大,但相应位置处的高温蠕变性能则呈现相反趋势;此外,在γ′相粒径最大的地方,γ′相的含量也呈现较大值。

退火态FGH96合金的热变形行为及热加工图

通过热模拟试验,系统研究热挤压-退火态FGH96合金在变形温度为1020~1110℃、应变速率为0.001~1 s^-1条件下的热压缩变形行为,建立本构方程并构建热加工图;结合电子背散射衍射(EBSD)分析,优化合金的变形工艺参数。结果表明:合金在热变形过程中发生明显动态再结晶现象。利用摩擦修正后的峰值应力获得的该合金热压缩本构方程材料常数分别为:α=0.0071272、n=2.6417、A=6.6811×10^15、Q=448.05 kJ/mol,较低的变形激活能与热挤压后初始晶粒尺寸的减小以及二次γ′相的粗化有关。利用构建的不同应变量ε下热压缩本构方程材料常数的五次多项式组对合金的流变应力进行了预测,预测数据与实验摩擦修正数据吻合较好。根据热加工图能量耗散效率并结合微观组织分析,对热挤压-退火态FGH96合金提出了建议的热加工参数范围:变形温度约为1075~1080℃、应变速率约为1×10^-3~1×10^-1.5 s^-1的区域。

镍基粉末高温合金FGH96应变疲劳行为

对镍基粉末高温合金FGH96在750℃、应变比R=0.05下的应变疲劳循环应力响应曲线、循环应力-应变曲线和应变-寿命曲线进行分析,通过非线性回归拟合,得到基于Manson-Coffin公式及郑公式两种处理模型的应变—寿命曲线及相关参数。结果表明,FGH96合金在实验加载条件下,出现了循环软化—稳定—再软化断裂的应力响应特性,并随着加载应变幅的提高而愈加明显。与Manson-Coffin公式相比,郑公式在宏观预测应变疲劳寿命,尤其是确定材料疲劳极限问题上取得很好的预测效果。

注射成形FGH96镍基高温合金的脱粘和烧结工艺

本文以惰性气体雾化的FGH96镍基高温合金粉末为原料,采用粉末注射成形(PIM)工艺制备了难以加工的镍基高温合金材料。确定了合适的溶剂脱粘、热脱粘工艺。探索了合适的烧结工艺。结果表明:在合适的烧结工艺(真空1270℃保温2 h烧结)下,试样常压烧结获得了均匀的组织,相对密度达到97.2%,抗拉强度达到1007 MPa,延伸率为5%。