大尺寸钼-铌合金单晶的研制

报道了φ31mm×500mm大尺寸定向生长钼-铌合金单晶的研制情况,介绍了原料选用与制备时所必需遵循的原则,论述了坯料直径与生长单晶直径的关系,并分析了所研制的定向生长单晶的晶向偏角、力学性能和组织结构。

Mo-Nb合金单晶的高温力学性能

研究了晶向为<111>Mo-Nb合金单晶的高温力学性能。实验结果表明,随着少量溶质原子Nb的加入,Mo-Nb合金单晶的高温强度获得了明显的提高。在1873K和Nb含量在0～6%范围内时(文中合金元素Nb含量均为质量百分比,下同),Nb含量每增大1%,材料的高温屈服强度就增加约16～25MPa,当Nb含量在0～3%范围内时,随着Nb含量的增加,塑性急剧下降,而在3%～6%范围内时其下降幅度趋于平缓;同时,随着Nb浓度的增大,更多的Nb溶质原子增大了原子间扩散阻力,使材料高温稳态蠕变率减小,大大提高了材料的高温抗蠕变性能;在1773K/10MPa时Mo-Nb合金单晶的稳态蠕变率较纯Mo单晶的降低了3～4个数量级,分析认为其蠕变机制为扩散蠕变。

籽晶法制备高温合金单晶叶片的研究进展

定向凝固技术制备高温合金单晶叶片主要采用选晶法和籽晶法,目前工业生产中仍以选晶法为主,但籽晶法在取向方面的精确控制是选晶法无法企及的,而且随着高温合金单晶叶片服役环境日趋苛刻,单晶叶片的三维取向控制成为工业生产中面临的主要问题之一,因此籽晶法的研究和发展不容忽视。籽晶法制备高温合金单晶铸件过程中,杂晶缺陷是制约其在工业生产中广泛应用的主因之一,直接影响单晶叶片的合格率,严重影响合金的力学性能。因此,目前关于籽晶法的研究主要集中在籽晶的获取和利用、杂晶的形成机理及控制等方面。本文主要介绍了籽晶法制备高温合金单晶叶片的基本原理,综述了籽晶回熔区杂晶的形成机制、影响因素及控制措施,在此基础上,总结和展望了籽晶法制备高温合金单晶叶片仍存在的一些问题及发展趋势。

高纯难熔金属及其合金单晶的发展

介绍了难熔金属及其合金单晶的制备技术,对电子束悬浮区域熔炼技术和等离子弧熔炼技术进行了比较。电子束悬浮区域熔炼法温度梯度易于控制、材料不受坩埚材料污染,但熔体表面张力对活性杂质和温度梯度敏感性高,所能制备的高纯难熔金属及其单晶材料尺寸规格受到很大限制,且材料内部位错密度较高。等离子弧熔炼法加热源能量密度高,原料规格形式多样,可制备单晶棒材、板材、管材及其他特定形状的单晶铸件,可最大程度地去除杂质元素(尤其是C元素),但设备系统复杂,单晶材料位错密度大。讨论了单晶材料发展现状,通过固溶强化可进一步提高材料的高温性能及其稳定性。单晶管材的制备也是一个发展方向。此外还对单晶材料制备技术和发展前景提出了一些建议。

钼铌合金单晶的制备

研究熔炼室真空度、合金原料棒化学成分、熔炼速度、搅拌速度等对铝铌合金单晶制备的影响。结果表明，熔炼室高真空条件，低杂质元素含量（特别是C和O）的两次电子束熔炼／热加工原料棒、合适的熔炼速度0．4～4．0mm/min和旋转速度1．0～40r/min能确保区熔过程稳定，制备出高质量钼铌合金单晶。

Mo-3Nb合金单晶的蠕变性能

研究了电子束悬浮区域熔炼法制备的晶向为<111>的Mo-3Nb(质量百分数,下同)合金单晶在高温/低应力环境中的蠕变性能及其蠕变机理。结果表明,Mo-Nb合金单晶中,溶质原子Nb的添加增大了原子间扩散阻力,使材料高温稳态蠕变率减小,大大提高了材料的高温抗蠕变性能;在1500℃,10MPa时,Mo-3Nb合金单晶的稳态蠕变率较纯Mo单晶降低了3个数量级,且其蠕变机理为扩散蠕变。

钼铌合金单晶性能分析

采用20 kW电子束区域熔炼炉制备出大尺寸Mo-Nb合金单晶,通过x射线θ扫描旋转法测试了单晶的晶体取向,结果显示所制单晶均为<111>晶向,晶向偏角<2.6°。对所制单晶进行了室温拉伸性能测试,并采用扫描电镜对Mo-Nb合金烧结条、原料棒以及单晶的室温拉伸断口作了分析对比,单晶的拉伸断口表现出典型的解理断裂特征。

高纯W-Nb合金单晶的制备及组织性能研究

采用电子束悬浮区域熔炼法生长制备出直径22 mm、长150 mm的W-Nb合金单晶棒材,对单晶的晶向偏离角、化学成分、杂质元素含量、微观组织等进行了分析。分析结果表明,单晶棒材的晶向偏离角小于8°,杂质元素总含量小于200 ppm,单晶棒材直线度较好,表面光亮、无裂纹。

旋转定向法测定钼合金单晶晶体取向

利用X射线衍射仪采用旋转定向法对钼合金单晶((111)晶面)样品进行晶体取向的测定,并通过计算得到晶向偏离角。本文对旋转定向法测定晶体取向的测试原理进行了详细阐释,同时对单晶样品出现不同类型谱线的原因进行讨论。结果表明:当摇摆曲线呈单峰时,说明晶面与宏观表面完全平行;当摇摆曲线呈双峰时,说明此时晶向偏离角不为0;当摇摆曲线呈多峰时,说明单晶样品内部有亚晶出现。

籽晶法生长高温合金单晶凝固界面研究

研究了籽晶法生长单晶高温合金中固液界面的演变规律。实验结果表明:在籽晶法生长高温合金单晶的起始过程中,凝固系统经非稳态自组织过程达到稳态生长,凝固界面经历了由平界面—胞状界面—枝晶界面的转化过程,胞枝晶间距根据凝固参数及初始形态自行调整,其调整模式主要有竞争淘汰、尖端开裂和高次分枝三种。在生长起始端存在着籽晶与单晶的融合区,融合区的成分取决于籽晶成分和单晶成分。

定向凝固技术制取高温合金单晶铸件的思考

回顾了单晶高温合金的发展历史,结合晶体学知识系统总结与分析了制取高温合金单晶的两种定向凝固技术的原理与晶体竞争生长机制.对两种方法现有工艺的优缺点进行了深入思考与比较,提出了两种制取任何所希望取向理想单晶的新方法,旨在为完善单晶高温合金的制取工艺提供新思路.

钼及钼合金单晶的制备

说明了钼及钼合金单晶的制备原理 ,详细介绍了钼单晶的制备工艺 (包括原料选择、制取籽晶、引晶、电子束区域熔炼实验及性能测试等 ) ,同时还简要介绍了钼合金单晶的制备。

一种控制大尺寸钼铌合金单晶棒材等径生长的方法

本发明提供了一种控制大尺寸钼铌合金单晶棒材等径生长的方法,包括以下步骤:一、选取多晶坯料和单晶籽晶为原料;二、将多晶坯料和单晶籽晶安装在位于电子束悬浮区域熔炼炉熔炼室内的夹持头上,然后调节多晶坯料与单晶籽晶之间的距离,之后进行相对逆向旋转,接着进行熔接处理,将熔接后的多晶坯料和单晶籽晶相对电子枪运动,得到等径生长的大尺寸钼铌合金单晶棒材。利用本发明方法得到的大尺寸钼铌合金单晶棒材,其直径为20~40 mm,长度为100~800 mm,晶体取向与单晶籽晶一致,晶向偏离角不大于3°,杂质元素总浓度不高于70μg/g,直线度不大于1.0 mm/m。

采用快速凝固法和螺旋选晶法制备DZ417G高温合金单晶的拉伸性能研究

通过快速凝固法和螺旋选晶法制备得到DZ417G高温合金的单晶,研究了选晶器角度、单晶取向和拉伸性能之间的关系。实验结果表明:热处理之后,单晶DZ417G高温合金室温下最大拉伸强度达到1 215MPa;700℃时最大拉伸强度达到972MPa;在760℃/725MPa条件下,持久寿命达到119h。单晶的拉伸性能与其取向与(001)方向夹角的大小成反比;取向偏差越小,单晶的拉伸性能越好;当选晶器角度为30°时,获得最佳性能。

镍基单晶高温合金近服役环境性能研究进展

航空发动机与燃气轮机作为国之重器,对保障国防安全和能源安全具有重要意义。随着发动机效率的不断提升,涡轮进气口温度不断提高。先进叶片往往采用高代次单晶高温合金材料制备,具有薄壁、多孔复杂冷却结构,且表面涂覆先进涂层,因而先进单晶叶片结构越来越精细复杂,服役过程中叶片不同部位温度场、应力场分布变化更大,其损伤机制无法通过传统棒状试样的变形损伤机制完全体现。基于先进单晶叶片的结构特点及服役环境特点,综述了叶片结构(薄壁、气膜孔)、二次枝晶取向(二次取向)及先进涂层等单一因素及多因素耦合作用对单晶合金拉伸、蠕变及疲劳等典型性能的影响规律及损伤机理研究,并对镍基单晶高温合金近服役环境性能研究的发展方向进行展望。

激光定向能量沉积DD405单晶高温合金的裂纹形成机制研究

采用激光定向能量沉积技术制备了第二代单晶高温合金DD405薄壁结构,通过试验和理论相结合的手段对单晶高温合金在激光定向能量沉积过程中的热裂纹形成机制进行分析和探究。结果表明,热裂纹的形成是由应力集中、液膜稳定性和碳化物析出相3个因素所决定的。由于激光定向能量沉积过程的逐层叠加,残余应力随着沉积高度递增,因此沉积区存在高水平的残余拉应力。沉积区的晶界处会出现显著的应力集中,液膜在两侧拉应力作用下发生撕裂导致裂纹萌生。液膜稳定性与相邻晶粒间的晶界角度密切相关,当大角晶界大于40°时,会在拉应力的驱动下形成热裂纹。MC型碳化物析出相通过“钉扎作用”抑制液相补缩及弱化与基体之间结合强度等作用进一步促进了热裂纹形成。

混合钎料对镍基单晶高温合金大间隙钎焊接头组织和性能的影响

【目的】采用一种新型镍基钎料和母材成分一致的高熔点合金粉混合的方法制备出混合钎料,研究了添加的高熔点合金粉的粒径和配比对钎缝微观组织和力学性能的影响。【方法】采用扫描电子显微镜对钎焊接头的析出相、元素分布、微观组织进行了分析,并对钎焊接头的硬度及持久性能进行了测试。【结果】研究表明,接头主要由钎料合金区(FAZ)、界面连接区(IBZ)和扩散影响区(DAZ)三部分组成。钎料合金区主要由M3B2和M8B型硼化物及γ/γ′相组成。界面连接区由γ和γ′沉淀强化相组成。当合金粉粒径为44μm和75μm时,均可得到无缺陷的焊接接头;但当合金粉粒径尺寸达177μm时,钎缝内会形成孔洞缺陷。【结论】随着合金粉比例的提高,接头连接区的显微硬度有所上升。当合金配比由30%到50%,接头的持久寿命由15 h增加至34 h;但进一步提升比例至60%时,接头的持久寿命下降至0.6 h。该文的结果可为实现高温热端零部件的连接和修复工程应用提供理论依据和参考价值。

超声滚压工艺对镍基单晶高温合金DD6表面完整性和疲劳寿命的影响

目的 改善长期服役于高温高压环境的镍基单晶高温合金DD6材料的表面完整性,提高其使用寿命。方法 采用超声滚压表面强化工艺(UltrasonicRollingProcess,USRP)对镍基单晶高温合金DD6试样进行表面强化,用正交试验法对三因素三水平的试样组进行试验,使用三维形貌仪、显微硬度仪、XRD射线衍射仪和MTS万能疲劳试验机探究静压力、进给速度和加工遍数等超声滚压参数对镍基单晶合金表面完整性和疲劳寿命的影响规律。结果 对于镍基单晶材料,超声滚压强化工艺能有效降低其表面粗糙度,提高表面显微硬度,并在材料内部引入一定的残余应力,并提升疲劳寿命。经USRP处理后,不同晶体取向的材料能够取得的最佳表面增益效果为,表面硬度从465HV提高到679.2HV,表面粗糙度从0.703μm降低至0.253μm,表面引入了约为782 MPa的残余压应力。不同晶向材料的疲劳寿命提升表现为,应力水平为742.4 MPa时,疲劳寿命提升1.3倍;应力水平为649.6MPa时,疲劳寿命提升1.5倍。结论 超声滚压工艺能够有效降低DD6材料的表面粗糙度、提高表面显微硬度,并在表面引入一定的残余应力,疲劳断裂模式主要为沿{110}面的滑移断裂。在低于742.4 MPa的应力加载时,超声滚压强化可以明显提高DD6材料在高温下的疲劳寿命。

熔体处理对DD426单晶高温合金凝固组织的影响

通过不同熔体处理工艺制备第一代单晶高温合金DD426,结合差热分析和JMatPro模拟计算确定合金的凝固路径以及凝固特征温度,采用扫描电子显微镜观察不同工艺制备样品的微观组织,并借助X射线三维断层扫描技术表征样品中的显微孔洞。结果表明,随着熔体处理温度的升高,结晶温度区间先降低后增加,一次/二次枝晶间先降低后增加;碳化物的形貌主要取决于合金成分(碳元素和碳化物形成元素)和凝固条件(生长空间和生长时间);合金中显微孔洞的尺寸、数量、分布受到枝晶间距和碳化物含量和形态的影响。