拉伸轴偏离角度对镍基模型单晶高温合金室温拉伸性能的误差影响分析

本文选用镍基模型单晶高温合金Ni-Al-Ru作为研究对象,综合利用SEM原位拉伸技术和EBSD技术,对样品拉伸轴偏离角度可能造成的室温拉伸性能的误差影响进行了分析。作者将实验上获得的屈服强度和抗拉强度归一化到[010]方向上,所得数据和原始数据相差较大,表明拉伸轴偏离[010]方向的角度是合金拉伸性能误差的重要来源。为了使误差<10%,需要将拉伸轴的偏离角度控制在8.8°以内。并且有必要进一步去寻找其它误差来源。

镍基高温合金的热机械疲劳寿命预测模型研究

针对发动机热端部件常用材料镍基高温合金GH4169进行了200~450℃及400~650℃条件下的同相位热机械疲劳(TMF)试验,考虑TMF条件下多晶材料在弹性阶段产生的微观损伤应变能,提出一种适用于多晶材料的TMF寿命预测模型,并结合试验数据确定模型参数;采用GH4169、IN718、DD8三种高温合金对该模型的TMF寿命预测能力进行评估,结果表明,提出的寿命模型预测精度高于TMF寿命预测常用的Manson-Coffin模型和Ostergren模型。

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。

协同Orowan绕过和攀移机制的镍基高温合金蠕变新模型

提出一种用于准确便捷预测析出相增强镍基高温合金稳态蠕变速率的蠕变新模型。基于析出相的空间分布,采用概率依赖的方法将位错-析出相交互作用中Orowan绕过和位错攀移机制的协同模式耦合到新的蠕变模型中。结果表明,新模型预测的稳态蠕变速率与实验数据吻合很好。此外,当前模型不再依赖于可调参数;同时,确定了阈值应力与温度的定量关系。这项工作为蠕变变形过程中位错-析出相交互作用提供新思路,并为设计具有更优异蠕变性能的析出强化合金提供有效模型。

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。

抽拉速率对一种第三代镍基单晶高温合金微观组织和偏析的影响

采用不同抽拉速率制备了一种第三代镍基单晶高温合金,研究了抽拉速率对合金微观组织和元素偏析的影响。结果表明:随着抽拉速率的增加,一次枝晶臂间距和二次枝晶臂间距减小;孔隙率先增大再减小,γ′相的尺寸和体积分数均减小且立方度增加;负偏析元素Re、W的偏析程度减小,正偏析元素Al的偏析程度变化较小,Ta的偏析程度略微增大。

微孔在一种三代镍基单晶高温合金热处理及持久试验过程中的演化

利用扫描电镜、Image Pro Plus软件和Nano Measurer软件研究了微孔在铸态、固溶处理态和完全热处理态的一种三代镍基单晶高温合金中的形貌及尺寸,采用蠕变试验机研究了微孔在合金持久试验过程中的演化。结果表明:铸态合金枝晶间区域γ/γ′共晶边缘存在少量的不规则形状的微孔,微孔的体积分数约为0.09%,平均尺寸约为9.54μm;经固溶处理后合金中会产生圆形和方形的固溶微孔,固溶处理(1325℃)时间由4 h延长到8 h,固溶微孔的体积分数由0.42%增加到0.46%,增加了约10%。时效处理对固溶微孔的体积分数没有明显影响。固溶微孔会在合金持久过程中发展为裂纹源,最终导致持久断裂,方形微孔更易发展成裂纹。

激光增材制造镍基高温合金的高温变形行为与本构模型

开展了激光增材制造镍基高温合金在7种温度下的拉伸试验,通过断口分析、数据处理等手段研究了增材制造高温合金的破坏机制及本构模型。结果表明:镍基高温合金的屈服强度、抗拉强度随着温度的升高而降低;温度高于673 K时,塑性段出现锯齿流变现象,随着温度的升高,锯齿的密度减小;试件断口表面存在大量韧窝和撕裂棱,具有显著的韧性断裂特征;通过考虑应变和温度对材料塑性行为的耦合影响,建立了以J-C和Z-A模型为基础来拟合合金流动应力的改进本构模型,拟合值和试验值吻合较好,相对误差绝对值均小于4%;将有限元仿真结果和试验的载荷-位移曲线进行对比,进一步证明了所建立本构模型的准确性。

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.

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。

含空洞镍基单晶高温合金拉伸分子动力学研究

镍基金属高温合金因其优异的高温力学性能成为航空发动机和航天发动机高温部件的关键材料,但该材料在加工成型过程中,由于工艺方法水平限制,不可避免地会产生缺陷,空洞是其中一种缺陷。空洞对材料的整体力学性能有着不可忽视的影响。因此,研究空洞对材料性能的具体作用显得尤为重要。鉴于此,重点分析含有空洞的镍基金属单晶高温合金在不同温度、应变速率和晶体取向下的拉伸变形行为,并通过研究塑性变形的微观机理来解释其变形过程。

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。

高流速离子源辉光放电质谱校正灵敏度因子法定量分析镍基高温合金中痕量稀土及贵金属元素

该文通过全面优化高流速辉光放电离子源分析高温合金痕量元素的仪器条件,系统研究高温合金复杂基体元素造成的质谱干扰,选取稀土元素和贵金属元素分析同位素与合适的质谱分辨率,确立了基于基体匹配的变形高温合金标准物质系列的校正灵敏度因子(RSF)定量方案,使测定结果的相对误差由4.0%~80%优化至7.7%~20%,并为痕量分析结果提供了可靠的计量溯源依据。基于此所建立的辉光放电质谱(GDMS)测定镍基高温合金中稀土元素和贵金属元素的方法检出限为0.0010~0.015μg/g,定量下限为0.0030~0.045μg/g。应用于变形高温合金和铸造高温合金实际样品中稀土元素和贵金属元素的分析,测定结果与湿法分析的参考值吻合较好,较好地验证了辉光放电固体样品快捷分析的优势,体现了高分辨质谱检出限低、线性范围宽、可分析元素多的特点,在高温合金材料质控中有着巨大的应用前景。

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。