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。

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。

镍基单晶涡轮叶片定向凝固过程温度场数值模拟研究进展

作为先进航空发动机不可缺少的核心部件之一,镍基单晶涡轮叶片(简称单晶叶片)的空心结构尺寸精度、合金元素的分布均匀性和表面及内腔冶金质量等要求极为苛刻。研究发现,定向凝固过程中温度梯度的控制直接影响单晶叶片性能和质量,能否持续获得稳定热流成为定向凝固技术的关键。随着计算机技术的不断进步,数值模拟已经成为单晶叶片定向凝固研究的重要手段之一。首先,对单晶叶片制备技术进行了介绍,分析了定向凝固过程中的传热方式。其次,总结了数值模拟界面换热系数边界条件的优化方法,重点介绍了Beck非线性估算法和有限差分法在界面换热系数求解中的应用,证明了两种方法均可以对铸件/型壳间的界面换热系数进行求解,有效提升了温度场模拟的准确性。最后,对定向凝固过程温度场数值模拟的研究进展进行了追踪,总结归纳出了工艺参数对温度场的影响规律。基于对镍基单晶涡轮叶片定向凝固过程温度场数值模拟研究进展的分析,提出了定向凝固工艺优化方向以及相关技术后续的发展趋势,以促进单晶涡轮叶片的高质量研发。

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。

镍基单晶叶片H_(2)SO_(4)-FeCl_(3)化铣剂及其化铣工艺研究

本文研究了H_(2)SO_(4)-FeCl_(3)化铣剂的配制及其化铣DD5单晶高温合金的能力,采用失重速率和OM、SEM、EDS和AFM表征手段分析化铣剂的化铣效果及能力。研究表明,H_(2)SO_(4)-FeCl_(3)化铣剂合适的配制为:H_(2)SO_(4)浓度4.8 mol·L^(-1),FeCl_(3)浓度0.16 mol·L^(-1),两者体积比为4∶1。该化铣剂对DD5单晶铸造合金中Ni和Al元素有较强的腐蚀能力,化铣速率快,对Mo、W、Ta和Re元素腐蚀能力较弱,化铣速度较慢;在室温下,化铣较为均匀,表层形成了富含Cr和Co的耐腐蚀氧化物,Cr和Co的腐蚀能力较弱;70℃高温下化铣剂对Cr和Co元素有较强的腐蚀能力,化铣速率明显提高。

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。

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。

镍基单晶铸造气膜孔低周疲劳断裂特征研究

气膜孔结构作为一种重要的热防护技术广泛应用于涡轮叶片中。气膜孔的存在会引入制造缺陷、应力集中等不利因素,成为疲劳失效的主要诱因之一。本研究开展不同温度下镍基单晶铸造气膜孔低周疲劳试验,分析熔模铸造直接成型的气膜孔疲劳断裂特征。结果表明:不同温度下疲劳寿命取决于应力幅值;随温度降低,疲劳断裂路径由Mode-I型转换为晶体学平面断裂,断口形貌呈现出从类解理至韧性断裂特征。气膜孔周围微结构分析表明,在1000℃及循环应力作用下,氧化膜发生破裂形成氧化裂纹;在700℃条件下,疲劳裂纹形核主要由滑移累积导致;在850℃条件下,疲劳损伤由氧化损伤和滑移累积共同作用。晶体塑性有限元分析揭示铸造气膜孔疲劳断裂特征主要受气膜孔附近应力分布的影响。

镍基单晶高温合金对接平台内缩松缺陷的形成机制研究

目的研究镍基单晶高温合金对接平台内的枝晶生长行为及凝固缺陷的形成机制。方法在不同抽拉速率条件下,通过定向凝固技术制备了具有对接结构的镍基高温合金单晶铸件,采用实验与有限元模拟相结合的方法,研究了对接平台内缩松缺陷的形成机制,并讨论了抽拉速率对缺陷形成的影响。结果缩松缺陷主要出现在各对接平台的最后凝固区,随着抽拉速率的增大,缩松缺陷的范围有所增大、数量有所增加。结论铸件各平台中上侧位置均形成了缩孔缺陷,这与铸件特殊的对接型几何结构有关;随着抽拉速率的增大,凝固界面的下凹程度增大,平台两侧熔体过早凝固,使平台内部补缩通道受阻,最终导致各平台最后凝固区产生缩松缺陷。