一种新型三代含锇镍基单晶高温合金的析出相演化规律

铼和钌在镍基单晶高温合金中的应用常受限于其含量和相稳定性,寻找能同时代替铼和钌的新元素具有重要意义。本研究设计了一种具有高含量锇的新型镍基单晶高温合金,采用传统Bridgman技术制备铸态单晶合金,并对合金进行固溶时效处理,通过光学显微镜和扫描电子显微镜研究合金的析出相演化规律。结果表明:铸态合金中锇和钨偏析于枝晶干区域,而铝、钽、钛则偏析于枝晶间区域,即使经过长时间的固溶热处理,锇和钨仍有轻微的偏析。由于枝晶区域的元素偏析,一次时效处理后枝晶间的γ′相比枝晶干的γ′相更易转变为立方形,二次时效处理使析出相的尺寸和体积分数略微增大,形状从立方形向圆形转变。

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。

基于选区激光熔化镍基单晶高温合金的修复

选区激光熔化技术光斑和热影响区小,成形精度高,可对镍基单晶高温合金叶片进行有效的修复以延长使用寿命。本工作选用了一种具有中等体积分数γ′相的合金粉末,研究了在单晶CM247LC基板上进行外延生长过程中该合金粉末的显微组织演变规律以及力学性能。结果表明:修复界面的熔池宽深比大于4时,沉积区与基体能形成良好的结合界面以及较小的晶粒取向差。通过增大扫描速率和降低激光功率可以有效减小沉积区裂纹密度,沉积组织以沿沉积方向生长的柱状枝晶为主,沉积层越高,冷却速率越小,枝晶间距和晶粒取向差越大。通过打印参数优化,最终得到了裂纹密度低、晶粒取向单一、且与单晶基板结合优异的镍基单晶高温合金沉积层,其抗拉强度为1094 MPa,伸长率为21%。

镍基单晶高温合金γ基体相通道研究

镍基单晶合金在高温下具备良好的力学性能,是航空航天及核能领域的关键材料。通过对铸态、力加载及热处理状态的变化研究了第三代镍基单晶高温合金DD10的γ基体相通道演化,并对铸态样品利用四圆中子衍射做了单晶性检测。结果表明,DD10在[200]、[020]、[002]晶面的单晶性能良好;经力加载和热处理后γ基体相通道有序性增加,通道宽度增加,且在力加载的γ基体相通道中析出二次沉淀强化相;900℃热处理后,γ基体相通道中的Co、Cr元素含量显著增加,在相同的竖直通道中Co元素含量一致;在相同的水平通道中Cr元素含量则保持一致;Mo、Re、W等微量元素经热处理后更多的从γ基体相通道中进入到沉淀强化相中。

固溶工艺对镍基单晶高温合金初熔温度的影响

固溶处理是消除镍基单晶高温合金凝固偏析的重要手段,而进行固溶处理的前提是具备合适的固溶窗口。随合金的发展,固溶窗口逐渐变窄,从而加大了固溶处理的难度。由于固溶窗口为动态窗口,其上限的初熔温度会随合金内部γ′相及共晶的溶解而提高,因此开展固溶工艺对合金初熔温度影响机制的研究具有重要意义。然而,目前缺乏不同固溶工艺对合金初熔温度影响机制及作用机理的相关研究。本文采用电子显微学为研究手段,对比研究了阶段式和连续式固溶处理对初熔温度的影响规律。研究发现,固溶处理会促进合金的均匀化行为,而均匀化程度随固溶工艺中高温下保温时间的延长而增加;均匀化效果越好的样品,其初熔温度提升更大,但是均匀化效果越好的合金内部也存在较多由“柯肯达尔效应”所诱发形成的固溶微孔。

不同取向镍基单晶高温合金650℃原位拉伸

镍基单晶高温合金作为飞机涡轮发动机叶片的主要使用材料,其在服役过程中受到各向应力作用产生变形导致材料失效,因此本文基于课题组自主研发的原位拉伸设备对[140]取向、[340]取向、[122]取向的镍基单晶高温样品进行了650℃原位拉伸。其中[140]取向样品在屈服阶段后样品硬化到塑性变形后期出现了幅度较小的应力下降,最后样品在应力作用下滑移迹线所在的基体发生开裂,裂纹沿着滑移迹线所在方向扩展至样品断裂。[340]取向样品在整个塑性变形阶段,样品的应力持续下降,孔洞缺陷处形成缺陷导致材料失效。[122]取向样品一直处于硬化阶段,到塑性变形后期样品出现了应力的下降,跟[340]取向样品失效方式相同,孔洞开裂形成裂纹源导致材料失效。本文针对三种取向样品的力学性能,塑性变形过程中的滑移情况以及对应的施密特因子变化、样品失效的方式进行了分析,对合金在真实服役过程中提高其服役寿命具有重要意义。

基于镍基单晶高温合金的均匀分布教学设计

利用镍基单晶高温合金对均匀分布进行教学设计.首先,一维均匀分布发现,镍基单晶高温合金在从质量成分转换成原子成分时,原子加和有可能不等于100 at.%.其次,二维均匀分布发现了镍基单晶高温合金的成分规律和成分范围.最后,三维均匀分布计算出了析出相γ′(Gamma Prime)体积分数.教学效果得到近90%的学生认可.

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。

制孔工艺对DD6镍基单晶高温合金低周疲劳性能的影响

在900℃、540 MPa条件下,研究了电液束加工、电火花成形加工、电火花小孔加工三种制孔工艺对DD6单晶高温合金试验件低周疲劳性能的影响,并对孔微观形貌和断口形貌进行了对比分析。结果表明,在相同试验条件下,电液束加工得到的气膜孔具有最佳的疲劳寿命。疲劳源位于气膜孔周边,不同制孔工艺的断口特征相似,均为多源断裂,而断口主要包括疲劳裂纹源区、扩展区和瞬断区三个区域。

DD419镍基单晶高温合金980℃下低周疲劳行为研究

对DD419镍基单晶高温合金在980℃下的低周疲劳行为进行试验研究,并对疲劳数据进行分析,获得该温度下合金疲劳参数。结果表明:该合金低周疲劳变形过程中,弹性变形起主要作用,塑性变形较低;循环应力响应行为以先循环软化、再趋于稳定为主要方式,并且随着应力幅的增加,循环寿命不断降低。低应变幅下,合金的疲劳断裂表现为脆性断裂的特征,并呈现出明显的多源疲劳特征,微观断口形貌的主要特征是出现准解理台阶,可判断准解理断裂是主要的断裂机制。

第三代镍基单晶高温合金1000℃氧化行为研究

研究了镍基单晶高温合金DD33在1000℃下的等温氧化行为。通过扫描电子显微镜、能谱、X射线衍射仪和电子探针X射线显微分析仪等,对氧化膜的相组成、形貌及结构特点与元素分布进行表征分析,并绘制了氧化动力学曲线。结果表明:DD33在1000℃下为完全抗氧化级,其氧化动力学遵循幂函数规律。质量增长存在两个阶段,即质量快速增长以及稳态增长阶段。Al元素的选择性氧化对应着质量快速增加阶段,NiO的加厚以及尖晶石层的复杂氧化对应稳态增长阶段。最终的氧化膜分为三层,最外层为NiO,中间层为Cr、Ta、Ni、Co和Al的混合氧化物层,最里层为Al_(2)O_(3)层,在氧化层的下方还有一层贫Al的γ′贫化层。

低层错能镍基单晶高温合金压缩行为和变形组织的温度相关性

在室温至1000℃的范围内,研究温度对一种低层错能镍基单晶高温合金压缩行为和变形组织的影响。研究结果表明,压缩行为和变形组织均表现出温度相关性。室温下该合金具有较高屈服强度,600℃时屈服强度有所下降;随后,随着温度的升高,屈服强度持续增加,并在800℃时达到最大值;在800℃以上时,屈服强度迅速降低。通过透射电子显微镜观察揭示合金变形机制。位错缠结和位错对塞积是室温下屈服强度较高的主要原因。在600℃时,变形机制从反相畴界切割向堆垛层错切割转变,这导致屈服强度略有下降。在800℃时,变形机制以堆垛层错切割为主,而Lomer-Cottrell锁和不同方向堆垛层错之间的反应导致最大的屈服强度。在900℃及以上时,虽然仍存在一些层错,但主要变形机制为位错绕过机制。最后,讨论变形机制和压缩行为的温度依赖性。

镍基单晶高温合金车削力及刀具磨损研究

镍基单晶高温合金性能优越是航空发动机热端部件如涡轮盘的理想材料,然而镍基单晶高温合金车削加工存在切削力大和刀具磨损严重等问题,限制了零件的加工质量和效率。通过镍基单晶高温合金单因素车削试验,分析了不同车削工艺参数对车削力F_(∑)的影响规律,探究了镍基单晶高温合金刀具磨损机理,提出了防止切削力过大和减缓刀具磨损的措施。试验结果表明车削镍基单晶高温合金车削力F_(∑)随着切削速度vs的增大而减小,而随着进给速度v_(w)和切削深度a_(p)的增大而变大;刀具主要出现磨粒磨损、粘结磨损和涂层剥落3种损伤形式。

镍基单晶高温合金表面微阵列孔的制备方法及其实验研究

微小孔结构在航空航天、现代医疗、精密仪器等领域有着广泛的应用,但孔径尺寸微小且加工精度要求高,常规的接触式机械加工方式存在切削力致使孔精度较难控制.而电火花加工非接触和无宏观切削力的特点使其在微小孔加工中具有独特的优势.开展镍基单晶高温合金表面微阵列孔制备的实验研究,首先通过低速走丝电火花线切割方法结合精修工艺实现了边长小于340μm菱形微细阵列电极的高精度制备.采用所制备的微细阵列电极在镍基单晶高温合金表面进行微阵列孔加工,探究微阵列孔尺寸的一致性精度、孔壁的表面质量和电极损耗特点,揭示抬刀速度和抬刀模式对微阵列孔的孔壁粗糙度的影响规律,实现了镍基单晶高温合金表面微阵列孔的高效率高精度制备.

两种取向镍基单晶高温合金拉伸变形行为原位研究

本文基于课题组开发的原位拉伸测试系统,结合扫描电镜(SEM)与数字图像相关方法(DIC),研究了[001]和[314]取向的二代镍基单晶高温合金在室温下的拉伸变形断裂行为和微观结构演变之间的关系.结果显示,镍基单晶高温合金的力学性能具有各向异性.室温下镍基单晶高温合金的拉伸变形主要以滑移带剪切γ'相为主,其中[001]取向试样开启(111)[011]、(111)[011]滑移系,表现为交叉滑移;而[314]取向开启(111)[(1)10]滑移系,表现为单滑移.不同晶体取向激活的滑移系统及数量不同,滑移引起的塑性变形区扩展方向不同,由此造成不同的延伸率.室温下,不同取向的合金为类解理断裂机制.不同晶体取向的合金,开启滑移系的数目与难易程度不同,呈现出不同的断口形貌特征.

基于三元相图预测高Mo强化镍基单晶高温合金中拓扑密排相的类型

采用热力学计算获得的三元相图,预测了高Mo强化镍基单晶高温合金中拓扑密排相(TCP相)的类型。结果表明,高Mo强化单晶高温合金中TCP相的析出行为可以采用Ni-Mo-Re、Co-Mo-Re、Ni-Cr-Mo、Co-Cr-Mo、Ni-Cr-Re和Co-Cr-Re三元体系来描述。同时,上述三元体系中可形成NiMo相、P相、σ相、μ相和R相5种TCP相。Ni-Mo-Al-Ta体系中只形成NiMo相,Re和Cr的添加均促进了P相和σ相的形成,而Co的添加促进了μ相的形成。

镍基单晶高温合金熔炼工艺优化

采用中频感应熔炼和MgO坩埚制备镍基单晶高温合金,对比研究氩气保护和真空熔炼工艺下合金的氧、氮、硫含量和显微组织,分析了不同工艺的除杂效果,并讨论了真空熔炼过程中延长精炼时间、添加陶瓷过滤网、加入脱氧剂碳等措施对除杂效果的影响。结果表明:氩气保护熔炼镍基单晶高温合金中氧、硫、氮元素的质量分数均高于1×10^(-5),且组织中存在粗大的氧化铝夹杂物;真空熔炼合金中杂质元素质量分数均小于1×10^(-5),同时组织中未发现大尺寸夹杂物;与氩气保护熔炼相比,高真空熔炼有利于降低合金中氮元素的含量;延长精炼时间可促进合金成分均匀化,大功率电磁搅拌加速了氮的脱除速率;添加陶瓷过滤网滤除了合金中大尺寸夹杂物;利用脱氧剂碳和氧的反应来进一步脱氧和脱氮。

镍基单晶高温合金表面喷丸强化技术研究综述

镍基单晶涡轮叶片作为先进航空发动机的关键热端部件,在服役过程中面临疲劳失效的风险。喷丸强化技术能够有效改善镍基单晶涡轮叶片的疲劳强度与服役寿命,已成为解决其疲劳失效问题的有效手段之一。重点针对传统颗粒喷丸和现代激光喷丸两类典型的喷丸强化技术,介绍了其基本原理与工艺特点;分析了镍基单晶高温合金的各向异性特征;综述了镍基单晶高温合金两类喷丸强化技术的国内外研究现状;总结了两类喷丸强化技术在镍基单晶高温合金上的应用瓶颈,进而展望了镍基单晶高温合金喷丸强化技术未来的发展趋势和研究方向,为拓宽喷丸强化技术的应用领域以及促进该技术在单晶高温合金部件上的工程化应用提供参考。

物理冶金信息指导机器学习的镍基单晶高温合金蠕变寿命预测

蠕变寿命是影响镍基单晶高温合金材料服役寿命和力学性能的关键材料参数。因此,如何准确有效地预测合金的蠕变寿命具有重要现实意义。尽管多年来许多研究学者已经建立起多种蠕变寿命的预测模型,但是由于不同温度应力下的蠕变机制复杂且蠕变过程涉及长时间的显微组织演化,已有模型尚难以实现有效预测。对此,采用物理冶金原理指导下的数据挖掘结合机器学习这一研究策略,通过文献调研建立起了高温低应力下的镍基单晶合金的高质量蠕变数据集,在物理冶金原理指导下对原始数据进行挖掘,提高了原始数据的内在质量,并基于Pearson系数和随机森林平均精确度降低值分别对原始数据特征进行了相关性分析和重要性评估,表明所建立的数据集符合基本的物理冶金学机制,同时阐明了引入的三维物理冶金信息对于蠕变寿命预测的重要意义。随后,基于机器学习方法在数据挖掘后的数据集上对合金的蠕变寿命进行了预测,并根据平方相关系数(R~2)、平均绝对误差(MAE)和过拟合程度评估了不同的机器学习模型。结果表明,支持向量回归(SVR)模型在本研究中具有较好的泛化能力且不容易过拟合,同时结合了物理冶金信息的机器学习模型拥有更好的预测准确性和泛化能力。最终成功地建立起了高温低应力下镍基单晶高温合金成分、工艺以及引入的物理冶金参数和蠕变寿命之间的关系,能够实现对镍基单晶高温合金蠕变寿命的有效预测,并有望应用于基于合金服役条件的成分工艺的反向设计。

服役工况下镍基单晶高温合金的损伤机制研究进展

为提高镍基单晶叶片服役寿命、解决发动机和燃气轮机的关键核心技术,近年来国内外持续开展了大量针对镍基单晶高温合金服役情况下损伤与失效机制的研究。从实际服役条件出发,总结了镍基单晶高温合金疲劳、蠕变和热机械疲劳损伤机制等研究成果与进展。此外,针对大量实验造成的时间与成本增加问题,还总结了近年来在镍基单晶高温合金的寿命预测方法方面的研究工作与成果,并提出了目前在镍基单晶高温合金寿命评估与失效分析研究方面所面临的困难和挑战。