镍基高温合金反重力铸造压力曲线设计与验证

针对镍基高温合金反重力铸造工艺中传统压力曲线设计方法的不足,充分考虑铸件沿充型方向的变截面结构特征,通过CAD软件的二次开发,实现铸件截面积的自动计算,以定量化描述铸件的截面变化特征。基于伯努利方程和流量守恒方程,推导出充型压力与金属液面上升速度之间的关系,提出基于铸件截面积自动计算的新型压力曲线设计方法。在此基础上,对镍基高温合金铸件的反重力铸造过程进行数值分析。充型模拟结果表明:与传统压力曲线设计方法相比,新型设计方法确定的压力曲线能使最小截面处充型速度峰值由0.611 m/s降至0.439 m/s,降幅达28.15%,有效避免金属液震荡和飞溅;同时可缩短充型时间,确保金属液快速平稳充型。水力学实验和浇注实验表明,新型压力曲线的充型液面更平稳,能有效抑制铸造缺陷,证明新型压力曲线设计方法的有效性,为合理设计反重力压力曲线提供依据。

镍基铸造高温合金返回料回收再利用现状及发展趋势

镍基铸造高温合金材料通常含有多种稀贵金属,因此,其返回料具有重要的回收再利用价值。本文综述了国内外镍基铸造高温合金的返回料的回收再利用的现状以及主流的返回料净化处理工艺技术。在此基础上,对未来返回料的有效再利用技术及发展趋势进行展望,为国内相关行业中返回料的回收再利用提供借鉴。

镍基铸造高温合金高周疲劳研究进展

由于航空发动机和燃气涡轮中的高温部件工作环境恶劣,存在高温、高压强、高振动等复杂工况,合金材料在此环境下需要长期保持优良的力学性能。镍基铸造高温合金被广泛应用于航空发动机、燃气涡轮等高温环境下的零部件中,其高温下的稳定性和力学性能是保证这些部件长期安全运行的重要因素。在高温高压等复杂环境下,合金材料会反复承受应力,导致疲劳损伤。高周疲劳是镍基高温合金失效的主要因素之一。由于材料在高应力状态下反复加载,导致其微观裂纹逐渐扩展,合金的服役寿命受到极大影响,对镍基高温合金高周疲劳性能的研究显得尤为重要。高周疲劳的发生与多种因素有关,其中包括合金的组织结构、应力水平、试验条件、表面缺陷等。本文分类讨论镍基铸造高温合金的高周疲劳机制在不同温度下的区别,研究不同失效状态下的规律特征以及其对合金高周疲劳的影响,对于研究叶片材料服役寿命规律,提高服役时间,降低研发周期具有指导意义。

650℃超超临界镍基高温合金超高压内缸铸造技术研究

介绍了高参数燃煤发电机组用镍基高温合金12 t级超高压内缸铸造技术研究工作及相关生产经验。结合镍基高温合金的材料特性、超高压内缸铸件的结构特点,应用MAGMA软件进行充型、凝固、应力多场耦合的模拟计算,并结合多年生产制造经验,制定合理的铸造工艺方案。目前,铸件已经完成毛坯制作,经对铸件化学成分、表观质量、尺寸进行检测,满足相关要求,为后续的工程化制造提供了经验。

新型定向凝固镍基高温合金DZ445中γ'相在高温下的演变规律

通过对新型定向凝固镍基高温合金DZ445进行800~900℃热暴露试验,研究了合金中γ'强化相在高温下的演变规律。结果表明:高温下γ'相的长大受基体元素扩散控制,长大动力学遵循Lifshitz-Slyozov-Wagner熟化规律,扩散激活能为305 kJ·mol^(-1);合金组织稳定,即使是在900℃热暴露10000 h,γ'相颗粒的平均尺寸也只增大至(928±14)nm,在800~900℃下热暴露10000 h时γ'相体积分数保持在50%上下,未观察到拓扑密堆相析出;在850,900℃热暴露过程中,γ'相形貌由类球状向立方或四方块状转变,这种转变与颗粒尺寸和晶格错配度有关。

Ti预处理的SiC_(f)/SiC与镍基高温合金复合铸件的界面组织与强度

由SiC_(f)/SiC复合材料与K403镍基高温合金熔体制备的一体化铸件,冷却到室温时会出现自行断裂。通过采用Ti粉埋覆包渗工艺在1100℃下对SiC_(f)/SiC表面进行预处理,并在适当工艺下与K403镍基高温合金熔体进行陶瓷型精密铸造,成功实现SiC_(f)/SiC与K403镍基高温合金的一体化成形和界面的牢固结合。结果表明:Ti预处理层平均厚度为17μm左右,Ti向SiC_(f)/SiC渗透、扩散和反应,形成含TiC,Ti3SiC2,Ti5Si3Cx,SiC相的显微组织;经过与高温镍基金属液复合铸造后,预处理层演变成厚约120μm的界面反应层,其典型界面组织为Ni2Si+C+Al4C3+MC(M主要含Ti及少量的Cr,Mo,W)。预处理层的存在减轻Ni与SiC的有害石墨化反应,缓解高温金属液对SiC_(f)/SiC的热冲击,形成的界面反应层降低热膨胀系数失配造成的热应力,使得SiC_(f)/SiC与K403一体化铸件结合界面的室温剪切强度达到63.5 MPa。

定向凝固镍基高温合金CM247LC热处理工艺优化及持久性能研究

目的研究定向凝固镍基高温合金CM247LC的最优热处理工艺制度,通过优化热处理工艺提高合金的力学性能。方法分别用JMatPro热力学分析软件和金相法判断CM247LC合金的初熔温度点,并确定合金的热处理窗口温度;利用光学显微镜(OM)和能谱分析仪(EDS)观察合金经不同固溶处理后的微观组织和元素偏析情况;利用扫描电子显微镜(SEM)观察合金经不同时效处理及持久断裂后的微观组织形貌。结果CM247LC合金的初熔温度为1260℃,热处理窗口温度为1215-1255℃。根据热处理窗口温度,设计了6种固溶处理工艺,对比发现,经1228℃/2 h+1240℃/2 h+1255℃/2 h、AC固溶工艺处理后,合金的组织均匀化程度最高,元素偏析得到了显著改善,γ/γ′共晶的体积分数从铸态时的18.9%降至5.04%,确定此工艺为合金优化固溶处理工艺参数。合金经优化固溶处理后再经1080℃/4 h、AC高温时效处理和870℃/22 h、AC中温时效处理,析出的γ′相尺寸(337.3 nm)、体积分数(67.81%)适宜且立方度最高,确定此工艺为最优热处理工艺。经最优热处理工艺处理的合金在980℃/205 MPa下的持久寿命为162 h,相比于铸态和固溶态处理的合金持久寿命分别提高了87 h和45 h。结论通过优化固溶处理和时效处理,确定合金最优热处理工艺参数为:1228℃/2 h+1240℃/2 h+1255℃/2 h、AC(固溶处理)+1080℃/4 h、AC+870℃/22 h、AC(时效处理),经最优热处理工艺处理的合金持久寿命显著提高。

定向铸造镍基高温合金Hf夹杂的特征及成因

采用扫描电镜、透射电镜和能谱技术,详细分析DZ125和DZ22镍基高温合金中富Hf夹杂物的形貌、结构及成分,开展不同Hf添加量的镍基合金凝固组织特征的模拟实验探究,阐明Hf夹杂物的形成机理。结果表明:DZ125和DZ22合金铸件的边缘均存在不规则形态的夹杂物,其中白亮夹杂物为HfO_(2),与之伴生的灰色夹杂物中含有Al_(2)O_(3)。镍基高温合金中的Hf元素聚集倾向强,Hf含量较高时可形成百微米以上的大尺寸富Hf相,随着Hf含量降低,富Hf相减小且分布更为均匀。高温下Hf与熔体中的氧、陶瓷型壳/型芯氧化物具有高的自发反应驱动力,当Hf分散不充分时,Hf倾向于向氧化物陶瓷相/熔体的界面聚集,在高温下与陶瓷中的Al_(2)O_(3)和硅溶胶黏结剂中的SiO_(2)发生反应,从而导致铸件表层HfO_(2)夹杂物的形成。

抽拉速率对定向凝固柱晶DZ4125高温合金组织及偏析行为的影响

采用Bridgman定向凝固法制备了DZ4125定向凝固高温合金,研究抽拉速率对DZ4215合金显微组织及偏析行为的影响。结果表明,随着抽拉速率的增加,合金中一次和二次枝晶间距逐渐减小;γ'相尺寸逐渐减小,且形貌由不规则立方体状、蝴蝶状向规则立方体状转变;枝晶间γ'相尺寸和数量均高于枝晶干处的。碳化物和γ+γ'共晶组织主要分布于枝晶间区域,且随着抽拉速率的提高,碳化物形貌从骨架状逐渐向长条状、块状转变,分布更加弥散、均匀。在定向凝固DZ4125合金中,Co和W为正偏析元素,Al、Ti、Ta、Mo为负偏析元素。随着抽拉速率的增加,正偏析元素的偏析程度降低,负偏析元素的偏析程度增加。

一种定向凝固镍基铸造高温合金的物理化学相分析

系统研究了一种定向凝固镍基铸造高温合金的物理化学相分析方法。对3种热处理制度下的试验合金中各析出相的结构、化学组成和含量及γ′相+微量相的粒度分布进行了测定,揭示了该合金中析出相在不同状态下的变化规律。该合金的析出相为:γ′,(Ti,Nb)C,HfC,M23C6,W3.2Cr1.8B3,WB,M6C(痕)等,没发现μ和M3B2相析出。粒度分布结果表明,在900℃时效3 000 h,γ′相略有长大。

匀变速抽拉对镍基单晶高温合金显微组织及晶体取向演化行为的影响

定向凝固熔模铸造单晶叶片过程中凝固过程难以达到稳态。本文采用定向凝固实验结合数值模拟的方法,研究了匀变速抽拉条件(0~200μm/s和200~0μm/s)下镍基单晶高温合金非稳态凝固过程中的显微组织与晶体取向演化过程。结果表明:同一瞬时抽拉速率下匀加速抽拉样品的一次枝晶间距大于匀减速的情况。定向凝固过程中晶体取向偏差具有随机波动性,匀加速抽拉下的晶体取向波动幅度大于匀减速的情形。最后,结合数值模拟的温度场结果分析了凝固组织和晶体取向演化机制。

DZ411定向凝固镍基合金蠕变性能的快速评估方法

研究了预应变(0.5%,1.0%,1.5%,2.0%,2.5%)、加载应变速率(4.0×10^(-5),1.2×10^(-4),4.0×10^(-4)s^(-1))和连续温度应力松弛试验的初始温度(750,900℃)对DZ411定向凝固镍基合金应力松弛行为的影响;基于加工硬化和回复软化动态平衡的稳态变形,假设稳态松弛应变速率与传统蠕变持久试验的最小蠕变速率随应力的变化规律一致,通过短时应力松弛试验对最小蠕变速率进行预测,并进行验证。结果表明:试验合金在加工硬化和回复软化动态平衡时开始松弛,当预应变不低于1.0%时能快速达到稳态松弛;初始温度对稳态松弛行为的影响较小;加载应变速率会影响起始松弛应变速率,但对稳态松弛应变速率随应力变化的影响较小;通过稳态松弛应变速率主曲线可以预测不同温度、应力下的最小蠕变速率,蠕变持久试验结果均落在稳态松弛应变速率主曲线的99%可靠度曲线内。

镍基单晶高温合金杂晶缺陷的研究进展

随着单晶涡轮叶片结构的不断优化和高温合金中难熔元素添加量的增大,镍基高温合金单晶叶片在凝固过程中更易出现杂晶、条纹晶、枝晶碎臂、小角度晶界等缺陷。其中,杂晶是单晶叶片制备过程中最常见的一类凝固缺陷,严重影响单晶叶片的成品率。为了减少该类凝固缺陷的产生,提高叶片的成品率,研究镍基单晶高温合金杂晶缺陷的形成机制、影响因素及其控制措施,对提高单晶叶片的服役性能具有重要意义。因此,关于定向凝固过程中杂晶缺陷的形成机制、影响因素及其控制措施的研究,引起了国内外研究者的广泛关注。本文综述了单晶叶片的制备技术,分析了籽晶法和选晶法制备单晶叶片过程中不同位置杂晶的形成机理,分别讨论了选晶段杂晶、籽晶回熔区杂晶、缘板杂晶的影响因素和控制措施,并对未来的研究方向进行了展望。

激光粉末床熔融镍基高温合金开裂行为研究

增材制造专用镍基高温合金研发需要经历成分设计-制粉-打印-表征,该过程周期长、成本高,严重限制了增材制造用新型合金的快速研发和应用。针对这一问题,本文提出以激光扫描合金块体材料评价其粉末材料打印性的思路,避免成分设计过程多次制粉。以4种典型镍基高温合金(Inconel 718,Hastelloy X,CM247LC,Inconel 939)为研究对象,采用激光扫描合金粉体和块体材料,研究不同合金在激光扫描其粉体和块体过程中的开裂关联性。结果表明,裂纹敏感性低的Inconel 718合金,激光扫描粉体和块体试样中均未发现裂纹;裂纹敏感性高的CM247LC和Inconel 939合金,激光扫描粉体试样中存在由于凝固末期枝晶间液相补给不足,在热收缩拉应力下形成的凝固裂纹和热循环过程残余应力导致的固态裂纹,而激光扫描块体试样中仅存在凝固裂纹,表明两种状态试样裂纹类型不同,但开裂趋势一致;裂纹敏感性介于上述合金之间的Hastelloy X合金,激光扫描粉体试样可在一定工艺窗口范围内实现无裂纹,而激光扫描块体试样时,在本文采用的所有参数下均存在裂纹,两种状态试样开裂趋势存在差异,但均为凝固裂纹。

定向凝固镍基高温合金上激光熔覆Inconel738的裂纹敏感性研究

针对定向凝固镍基高温合金叶片的强化与修复需求,研究了在定向凝固镍基高温合金基体上激光熔覆In conel738的裂纹敏感性问题。在定向凝固镍基高温合金基体上激光熔覆Inconel738合金对裂纹非常敏感,所产生的裂纹为热裂纹,由定向凝固基体晶界处引发并穿过界面向熔覆层发展;多层熔覆过程中熔覆层间也会产生热裂纹,热裂纹沿晶界纵向扩展。定向凝固高温合金基体晶界处的低熔共晶成为主要的裂纹源。严格控制激光熔覆过程中的热输入量可以显著降低裂纹敏感性。选择适当的熔覆工艺方法和参数可以在定向凝固镍基合金基体上形成良好冶金结合且无裂纹的基本保持定向凝固特性的熔覆层组织。

镍基高温合金多叶片定向凝固过程数值模拟

建立了基于Monte Carlo法的射线追踪模型,并用来动态处理定向凝固抽拉过程中多叶片间以及叶片与加热炉间的辐射换热过程.模型中考虑了抽拉速度、加热炉几何尺寸等影响,研究了2种抽拉速度下的温度分布.得到的温度采样点冷却曲线与实际冷却曲线进行了对比并得到了较好的结果.多叶片条件下,冷却区叶片靠近炉壁的温度低于同一水平线上靠近炉腔中心部分的温度.抽拉速度为7.0mm/min时等温线的斜率高于抽拉速度为4.5 mm/min时的斜率.炉腔的几何尺寸对凝固过程温度分布有重要影响.

一种铸造镍基高温合金的凝固行为

M963合金的凝固顺序为: L→L+γ→L+(γ＇+MC)+γ→(γ+γ＇)+(γ+MC)+γ→(γ+γ＇)+(γ+MC)+γ+γ＇;凝固组织呈树枝状结构,由γ固溶体基体、γ＇析出相及分布在枝晶间区的骨架状MC碳化物和(γ+γ＇)共晶组成;碳降低合金的液相线温度和(γ+γ＇)共晶温度,提高MC碳化物的形成温度,增加MC碳化物的体积分数,降低(γ+γ＇)共晶的体积分数;高熔点元素W和Co在枝晶干偏聚, Al,Ti,Nb,Cr和Mo在枝晶间偏聚.

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。

施载方向对定向凝固镍基高温合金高温蠕变行为的影响

研究了施载方向对定向凝固镍基高温合金980℃130—190MPa蠕变及断裂性能的影响结果表明三种取向试样的蠕变曲线相似，稳态蠕变均由位错的攀移过程所控制因蠕变断裂机制不同，纵向试样比横向及倾斜试样表现了高得多的啼变塑性，前者为完全穿晶断裂。

定向凝固镍基高温合金叶片榫齿高效深切成型磨削

针对定向凝固镍基高温合金DZ125叶片榫齿，采用电镀成型CBN砂轮对其进行了高效深切磨削（High efficieney deep grinding，HEDG）试验，对磨削比能及工件表面完整性进行了分析。结果显示，在保持速比（Us／‰）不变时，提高磨削速度饥可有效降低磨削比能，提高平均材料去除率。磨削比能表现出“尺寸效应”，其值最终稳定在40～60J／mm^3之间；在相同的平均材料去除率下，磨削比能随着磨削深度的增大而上升；在相同的单颗磨粒切厚下，磨削深度的差异对磨削比能的影响较小。对试验中最大平均材料去除率下获得的工件表面质量进行分析发现，已加工工件表面不同区域磨削纹理均很清晰，无皱叠及犁沟两侧翻起等现象；表层金相显微组织基本无变化，未发现相变、撕裂及晶粒扭曲现象；工件表层加工硬化程度为7．7％～19％，深度为40μm。结果显示了HEDG在高效磨削DZ125叶片榫齿中推广应用的潜力，并为其实际生产中磨削参数的选择提供了参考。