增材制造600℃高温钛合金研究进展

先进航空发动机高压压气机550~600℃环境使用的关键/重要件对600℃高温钛合金提出迫切需求。但是,难成形的复杂构件以及梯度/复合结构与功能一体化构件等的制造,采用传统铸造、锻造等工艺技术难以满足需求和研发要求。增材制造是先进制造技术的典型代表,拥有材料设计-制造一体化、复杂设计-定制一体化等独特优势,为600℃高温钛合金新材料/新技术研发提供了新的途径。目前国内外已开始关注通过增材制造的方式制备600℃高温钛合金,重点研究材料-工艺-组织-性能的关系。本文首先简要回顾600℃高温钛合金研究,其次重点介绍不同增材制造工艺下600℃高温钛合金沉积态和后处理态的微观组织特点;在综合性能研究方面,列举并分析拉伸性能、蠕变性能、热疲劳性能和抗氧化性能等关键性能;在复杂设计/复合结构章节,论述以600℃高温钛合金为基体的复合材料和梯度结构增材制造的研究进展。最后,对增材制造600℃高温钛合金材料开发、复合工艺探索、缺陷控制和性能评价标准建立等研究方向进行展望。

氢对600合金在高温高压水中电化学行为的影响

通过动电位极化曲线、电化学阻抗谱和计时电流图,研究了电化学充氢对两种热处理态的600合金暴露在高温高压水中电化学行为的影响。结果表明:电化学充氢会增大合金阳极氧化电流密度,并且在70℃NaCl溶液、300℃高温脱氧纯水和高温脱氧模拟一回路冷却水中,充氢会使合金腐蚀电位负向移动,降低耐蚀性能。此外,轧制退火试样表面氢还原反应速率更快,而固溶退火试样在70℃NaCl溶液、300℃高温脱氧纯水和氢化脱氧模拟一回路冷却水中表现出更好的耐腐蚀性能。

振幅对Inconel600合金线接触微动滑动磨损行为的影响

采用SRV-Ⅳ高精度微动-滑动磨损试验机研究了振幅对核反应堆蒸汽发生器传热管用Inconel600合金磨损行为的影响。结果表明,常温常压下无润滑线接触式微动滑动磨损存在一个临界振幅。当振幅小于临界值时,摩擦系数随振幅的增大而线性增大,但磨痕深度变化相对很小;达到临界振幅时摩擦系数最大;振幅大于临界值时,随着振幅增大摩擦系数略有降低,但磨痕深度显著增大。振幅在临界值以下时,磨痕表面的氧化程度较低,磨痕中铁元素分布明显高于磨痕中间区域;振幅大于临界值时,磨痕表面氧含量较高。从磨痕表面向内分别为氧化层、变形层和基体。变形层晶粒呈扁平状,越靠近表面变形程度越大,严重变形的晶粒内部有明显的滑移带。

GH600高温合金重熔层组织结构对激光焊接性能的影响研究

目的研究GH600高温合金重熔层组织对T形激光焊接强度的影响。方法采用激光焊工艺制备GH600高温合金T形焊接接头,采用金相显微镜、扫描电子显微镜和能谱仪观察重熔层去除前后焊接接头的显微组织和元素分布。采用电子万能试验机测试去除重熔层前后焊接接头的力学性能,采用维氏硬度计测试焊接接头的硬度。结果去除重熔层的焊接接头的抗拉强度约为1400MPa,约为未去除重熔层焊接接头抗拉强度的3倍。结论焊接强度下降的主要原因如下:重熔层内部存在较大的内应力和缺陷;二次结晶时内应力释放;第二相对晶界的钉扎失效使晶粒异常长大,进而形成白带层。

600℃高温钛合金燃烧组织演变及机理

采用摩擦氧浓度法测定600℃高温钛合金的阻燃性能,通过聚焦离子束技术和高分辨电子显微镜对燃烧组织的燃烧区、熔凝区和热影响区内不同价态的氧化产物进行表征与界面结构分析,发现燃烧产物Al_(2)O_(3),Ti_(2)O_(3)以及TiO_(2)具有不同于氧化过程的形成方式;结合自由能和蒸气压计算,揭示燃烧组织演变的机理及其对合金阻燃性能的影响.结果表明,合金中6%的Al元素含量导致熔凝区/热影响区界面不能形成连续性Al_(2)O_(3)保护层;1800 K左右TiO蒸气压的显著增加造成熔凝区形成Ti_(2)O_(3)和Ti构成的疏松结构,为氧的快速内扩散提供路径;此外,燃烧区中形成的TiO_(2)熔体对基体不具有保护作用.因此,600℃高温钛合金不具备良好的阻燃性能.

高温水中硫酸根阴离子对Inconel 600合金应力腐蚀开裂的影响

采用慢应变速率试验(SSRT)研究了硫酸根阴离子浓度对Inconel 600镍基合金在模拟压水堆(PWR)一回路水中应力腐蚀开裂(SCC)敏感性的影响。结果表明:硫酸根离子促进Inconel 600镍基合金在高温水中的应力腐蚀开裂;随着硫酸根离子浓度升高,合金SCC敏感性增大;当高温水中硫酸根离子含量超过300μg/kg时,断口边缘出现局部腐蚀和局部穿晶裂纹。

一种Ti600钛合金球形粉及其制备方法和用途

摘要:本发明提供一种Ti600合金球形粉制备方法及其用途。采用不同的混合方式将二氧化钛、氧化铝、氧化锡、二氧化锆、二氧化硅、氧化钼和氧化钇等原料混合,并依次通过第一还原、第一湿法处理和第二还原、第二湿法处理实现各种元素在钛基体中的均匀分布,从而得到球形度高、氧含量低的Ti600合金球形粉。本发明中所述的制备方法所需设备更为简单、工艺过程成本较低且易于实现,具有较高的工业利用价值。

加工工艺对Ti600合金板材组织性能的影响

测试了Ti600高温钛合金板材在不同加工及热处理状态下的室温拉伸及高温蠕变性能,分析对比了热机械处理工艺TMP(thermomechanicalprocess)对合金板材组织性能的影响规律与内在机制;另外还研究了Ti600合金板材焊接后热处理工艺对组织性能的影响。结果表明:采用热机械处理工艺(TMP)可获得充分生长的片层状团束组织(colonystructure),这种类型的组织显著提高了合金的高温蠕变抗力;板材焊接后应选择β区固溶热处理,以获得良好的室温与高温性能。

Ti600高温钛合金中析出物与蠕变性能的关系

根据Ti600合金中析出物的特点,设计5种热处理工艺,研究不同热处理工艺下合金的蠕变性能。结果表明:Ti600合金经1060℃固溶处理后,随着时效时间的延长,蠕变过程中动态析出效应逐渐减弱,合金对应的抗蠕变性能增强。在时效过程中,当有α2相形成时,合金具有最强的蠕变强化效应。Si元素无论是以固溶状态还是以析出状态存在,都具有蠕变强化作用,但固溶状态的强化效果优于析出状态的。固溶后时效时间的不同表明Ti600合金存在不同程度的蠕变动态析出强化效应,但是这种强化效应也伴随着析出物形成过程的扩散效应,这种扩散效应抵消了动态析出的强化效果。因此,为了强化蠕变性能,合金应该在充分时效的情况下使用。

Ti600合金的高温本构方程

采用热模拟压缩试验研究了Ti600合金在变形温度为800～1100℃、应变速率为0.001～10s-1范围内应力-应变曲线的变化规律。研究结果表明:Ti600高温钛合金热变形的流变应力随温度的升高和应变速率的降低而减小;随着应变的增大,合金的真应力-真应变曲线在经历了明显的加工硬化阶段后达到最大值,然后渐渐出现流变“软化”现象。以经典的双曲正弦形式的模型为基础建立了Ti600合金热变形的本构方程,同时也通过对数据回归处理确定了合金不同温度下的应力指数n、应变激活能Q等数值。

固溶处理对Inconel600合金TIG接头组织和性能的影响

研究了Inconel600镍基合金TIG接头在不同温度下固溶处理的组织、力学性能及耐腐蚀性。结果表明,随固溶处理温度增加,其硬度、强度下降,塑形增加;低温下固溶处理,热影响区会形成粗大块状的Cr_(23)C_6碳化物,使耐蚀性能下降;1250℃固溶处理时,晶粒粗大,晶界变粗,平直度增加,且晶界上杂质元素偏析严重,导致耐蚀性下降。所以其最合理的固溶处理温度为1050~1150℃。

压水堆核电站蒸汽发生器用600合金管在含铅高温碱溶液中的应力腐蚀行为研究

采用U型弯曲试样研究了高、低温工厂退火状态的压水堆蒸汽发生器(SG)商用化600合金管在330℃、含10g/L PbO的10%NaOH高温水溶液中的应力腐蚀开裂(SCC)行为.结果表明,在氢浓度很高时,600合金表现为较严重的晶间腐蚀(IGA),最大侵蚀深度约270μm;没有观察到明显的应力腐蚀开裂,腐蚀晶界中有铅的沉积;冷拉预变形、退火温度对材料的腐蚀和应力腐蚀行为的影响不明显.

Ti600合金的性能与显微组织的研究

Ｔｉ６００ 合金是一种新型近α高温钛合金，其名义成分为Ｔｉ－６Ａｌ－２．８Ｓｎ－４Ｚｒ－０．５Ｍｏ－０．４Ｓｉ－０．１Ｙ（ｗ ｔ％ ）。测试了该合金在热暴露前后拉伸性能和蠕变性能，并进行了透射电镜和光学显微镜观察。研究结果表明：合金的机械性能优异，与美国Ｔｉ１１００ 性能水平相当；在常规热处理条件下，合金组织是一种典型的针状组织，该组织具有良好的抗蠕变性能。Ｔｉ６００ 合金热暴露后，合金中存在的α２ 相（Ｔｉ３Ａｌ）和Ｓ２ 相（Ｔｉ５Ｓｉ３）使合金的室温塑性降低。讨论稀土氧化物对合金显微组织及性能的影响，表明稀土的加入对改善合金蠕变性能有较大作用。

高铌TiAl/Ti600合金电子束焊接头组织与性能

对高铌TiAl/Ti600合金进行了电子束焊接试验以便对高温钛合金与高铌TiAl合金高质焊接提供理论及试验依据,采用金相显微镜、扫描电子显微镜及X射线衍射仪等设备对焊接试样进行了分析.结果表明,高铌TiAl/Ti600接头极易产生裂纹缺陷.接头焊缝主要形成细针状α2-Ti3Al相及α-Ti相,而高铌TiAl侧热影响区呈现板条状及等轴组织形貌,Ti600侧热影响区为针状α'相.接头焊缝区硬度最大,达到586 HV,Ti600侧向高铌TiAl侧过渡过程中硬度逐渐增大,由焊缝到两侧热影响区硬度过渡梯度较大.高铌TiAl/Ti600电子束焊接头室温抗拉强度可达516 MPa,且接头断裂于偏高铌TiAl侧焊缝区,断裂性质为典型的脆性解理断裂,呈现穿晶断裂特征.

固溶处理对Ti-600高温钛合金蠕变性能的影响

研究了固溶处理温度和随后的冷却方式对Ti-600高温合金蠕变性能的影响。结果表明,为了获得最佳的抗蠕变性能,宜采用相变点以上的温度进行固溶及随后空冷的处理制度,合金在600℃、150MPa条件下进行蠕变变形,主要受晶界滑动和晶内位错的滑移和攀移所控制。

稀土元素Y对Ti600合金组织和性能的影响

采用光学显微镜、扫描电镜和力学性能测试设备,研究了稀土Y对Ti600合金显微组织和性能的影响。结果发现,稀土Y可以细化合金的显微组织和晶粒。稀土Y对Ti600合金的室温拉伸强度影响不大,但可改善其塑性。另外稀土Y可以改变合金在热暴露过程中析出相的分布和尺寸,以及合金中的位错组态,对提高合金的热稳定性和蠕变抗力有利。

Ti600合金板材的轧制工艺与电子束焊接性能研究

测试研究了Ti600高温钛合金板材在不同加工及热处理状态下的室温拉伸及高温蠕变性能,分析对比了热机械处理工艺(thermom echan ical process-TMP)与常规加工热处理对合金板材组织形态特征与性能的影响规律与内在机制;另外还对Ti600合金板材的焊接性能进行了研究。结果表明:采用热机械处理工艺(TMP)可获得充分生长的片层状团束组织(colony structure),这种类型的组织显著提高了合金的高温蠕变性能。而且合金经电子束焊接后仍然具有良好的综合性能。

Inconel600合金元素偏聚及对组织影响的研究

对国内外生产的Inconel600合金,在940℃保温不同时间,用扫描电镜分析微量元素和夹杂物;采用统计分析法研究了它们的差异以及国内外合金电解抛光工艺参数的变化。结果表明:与国外Inconel600合金相比,国内Inconel600合金Cr的贫化、Al2O3、TiO2和TiN等夹杂物的存在以及较高的微量元素Mg、P、S,这些对加热试样晶粒长大和电解抛光参数具有重要影响;国内合金杂质含量高、晶粒易长大,使抛光所消耗的电能降低。

GH600合金薄板成形极限研究

通过实验,获得了GH600合金薄板的成形极限图(FLD),建立了其成形极限图的函数模型,并将实验基础上获得的FLD函数模型与专用有限元软件DYNAFORM中利用Keeler公式自动生成的FLD作为模拟时破裂的判据,模拟研究了GH600合金筒形件的拉深和杯突实验过程,将模拟结果与实验结果进行对比。结果表明:利用Keeler公式自动生成的成形极限图与实验获得的FLD数据差别较大,实验获得的FLD作为DYNAFORM模拟时的破裂判据,能更准确的预测GH600合金薄板成形过程中的破裂问题。实验所得成形极限图(FLD)和所建立的函数模型为该类板材成形过程的数值模拟提供了重要的依据。

Si_3N_4陶瓷/Inconel 600合金液相诱导扩散连接接头的强度与断裂行为

利用Nb/Cu/Ni复合层作中间层 ,采用液相诱导扩散连接方法连接了Si3 N4陶瓷 /Inconel6 0 0合金 ,用剪切试验评价接头强度 ,采用扫描电镜 (SEM )观察接头的断口形貌 ,系统地分析了连接压力、连接时间 ,连接温度对Si3 N4陶瓷 /Inconel 6 0 0合金液相诱导扩散连接接头的强度和断裂行为的影响。结果表明 ,连接温度 (在连接时间为30 0 0s以及连接压力为 5MPa条件下 )、连接压力 (在连接温度为 1130℃以及连接时间为 30 0 0s条件下 )和连接时间 (在连接温度为 1130℃以及连接压力为 10MPa条件下 )都与接头的剪切强度呈抛物线关系。