某镍基粉末合金高温疲劳裂纹扩展行为与模型研究

针对涡轮盘用某镍基粉末高温合金材料,开展了高温疲劳裂纹扩展试验,分析了环境温度、载荷比、紧凑拉伸(CT)试件厚度等因素对于疲劳裂纹扩展行为的影响规律,建立和评估了考虑影响因素的裂纹扩展速率模型。结果表明:随着温度的升高和载荷比的增大,疲劳裂纹扩展速率会显著增大,而CT试件厚度对于扩展速率的影响较小;通过观测断口截面发现,在500~700℃内,疲劳裂纹的扩展机制与温度之间没有显著关联,而在700℃下,高载荷比的条件使得裂纹扩展断面更为粗糙;提出了一种温度相关的疲劳裂纹扩展速率模型,可较好地描述不同温度下的疲劳裂纹扩展曲线;对比了Walker模型和Newman裂纹闭合模型的应用效果,发现Walker模型在描述不同载荷比下的裂纹扩展速率方面更为优秀。

新型镍基粉末高温合金连续加热过程中γ′相溶解行为

本文通过SEM、XRD、EDS等实验表征方法,对一种新型镍基粉末高温合金在连续加热过程中γ′相的溶解行为进行系统研究。结果表明:随着温度以5℃/min缓慢升高,三次γ′相在1080℃时最先完全溶解,二次γ′相在1140℃时完全溶解,一次γ′相在升温至1160℃时仍有少量残留;γ′相面积分数从初始态的48.7%减小至1160℃时的0.3%;γ/γ′相错配度由1000℃时的0.264%减小至1120℃时的0.25%,而升温至1140℃时又增大至0.253%,升温至1160℃时再减小至0.248%。阐明了三类γ′析出相的溶解机制:大尺寸不规则一次γ′相通过γ/γ′相界面向内分裂成两个或多个具有平行界面的颗粒溶解;八角形二次γ′相通过分裂为八个细小颗粒溶解;小尺寸球状三次γ′相通过γ/γ′相界面处的元素扩散逐渐溶解。

镍基粉末高温合金中γ′相溶解行为与动力学研究进展

为了满足航空发动机高性能、高热效率的要求,镍基粉末高温合金的合金化程度越来越高,导致合金变形抗力大,热塑性差,热加工窗口窄,从而制约了合金的制备与应用。合金中高体积分数的γ′相在热加工过程中起到组织调控的作用,热加工过程中γ′相的演变影响着合金的热变形行为和热加工性能。了解热加工过程中γ′相的演变规律对调控合金组织和优化热加工工艺具有重要意义。本文以镍基粉末高温合金热加工过程中γ′相的溶解为讨论对象,综述了近年来γ′相的溶解行为及其影响因素、预测模型相关研究工作。目前高体积分数多颗粒体系析出相的溶解机理还不清楚,γ′相溶解过程中是否存在分裂和团聚等行为及其影响机理、热变形过程中位错与γ′相之间的相互作用机理、γ′相溶解动力学等有待进一步研究。

铣削工艺参数对镍基粉末高温合金650℃低周疲劳寿命的影响

研究了不同铣削工艺对疲劳损伤的影响规律。对采用4种工艺加工的试样进行了650℃高温空气环境下的低周疲劳试验。分别采用粗糙度表征方法、背向散射电子衍射技术和纳米压痕测试以获得试样的表面粗糙度、残余应力和加工硬化。测试结果表明,采用电火花线切割方法加工的试样疲劳寿命最高(平均80360循环),有最低的表面粗糙度(0.226)和残余应力;而钝刀具加工的试样疲劳寿命最低(平均43978循环),相较于电火花线切割试样的疲劳寿命下降了45%。扫描电镜表征结果表明,疲劳裂纹主要由粗大的非再结晶晶粒和加工缺陷引发。铣削加工方法和参数对疲劳损伤程度和疲劳寿命有重要影响。

新型镍基粉末高温合金长期时效中组织演变对拉伸性能的影响

研究了新型镍基粉末高温合金在800℃时效100~5000 h后显微组织对拉伸性能的影响。结果表明:随着时效时间的增加,合金的晶粒尺寸未发生明显变化,晶界粗化并呈现为不连续“锯齿状”;二次γ'相发生合并粗化,粗化符合LSW理论;TCP相的析出量随时效时间的增加而增大,1000h后在晶界处呈现细小白条状析出,2000h后在晶内呈现大量长条形针状析出,5000h时TCP相含量达到最大;受二次γ'相粗化的影响,合金的700℃拉伸强度和塑性随时效时间的增加而逐渐降低;拉伸断口具有颈缩和韧窝特征,断裂均为韧窝断裂。

新型镍基粉末高温合金的微观组织和力学性能

以新型镍基粉末高温合金FGH4113A(WZ-A3)为研究对象,采用“真空感应熔炼+氩气雾化制粉+热等静压+热挤压+等温锻造”工艺路线制备全尺寸涡轮盘,系统研究了锻造态FGH4113A合金在不同热处理状态下的微观组织和力学性能。结果表明:FGH4113A合金全尺寸涡轮盘宏观形貌良好,微观晶粒组织细小均匀;经亚固溶热处理后,平均晶粒度ASTM11~13级,室温和550℃的屈服强度分别为1249和1185MPa,抗拉强度分别为1674和1656MPa,断后伸长率分别为23.5%和19.5%,在温度700℃,应变范围0~0.8%,加载频率0.33Hz条件下的疲劳寿命均值为35000周次;经过固溶热处理后,平均晶粒度ASTM6~8级,700和800℃的屈服强度分别为1063和966MPa,抗拉强度分别为1403和1112MPa,断后伸长率分别为17.5%和12.0%,在温度800℃,应力330MPa,蠕变伸长量0.2%条件下的蠕变寿命均值为384h,在温度700℃,应力强度因子范围30MPam5条件下的裂纹扩展速率小于5×10^(-4)mmcycle^(-1)。

一种无机盐铝涂层涂覆镍基粉末高温合金的高温氧化组织分析

使用TWL12+TWL20无机盐铝涂层喷涂于镍基粉末高温合金表面,采用XRD、SEM、EPMA和TEM研究无机盐铝涂层与粉末高温合金经700、750、800℃高温氧化后的组织变化。结果表明:高温氧化后涂层表层结构出现剥落,涂层中的铝与基体合金发生扩散,形成由氧化区、扩散区、互扩散区组成的过渡层,其中氧化区为最外层,该区域主要富集O、Al元素,形成Al_(2)O_(3)层;随之的扩散区主要含有Ni、Al元素,形成NiAl相及在其中弥散分布的α-Cr相;最后是富集Ti、Cr、Co、Ta等元素的互扩散区,存在于扩散区与基体之间,主要由Ni_(2)AlTi相基体及在其中弥散分布的σ相组成;分析表明过渡层厚度随着氧化温度升高而变化,主要表现为互扩散区宽度增加,扩散区中的α-Cr相与互扩散区的σ相尺寸增大,且σ相沿垂直过渡区方向生长的趋势加剧;氧化增重曲线表明,涂层表层结构脱落后,过渡层在750、800℃高温氧化过程中表现出良好的抗氧化性能,说明TWL12+TWL20无机盐铝涂层具有为航空发动机用先进粉末高温合金提供高温氧化涂层保护的潜力。

镍基粉末高温合金冶金工艺的研究与发展

叙述和分析了镍基粉末高温合金冶金工艺三十多年来在制粉及粉末处理工艺、成型工艺、热处理工艺等方面的研究成果和存在的问题 。

飞机涡轮盘用镍基粉末高温合金研究进展

综述了国内外飞机涡轮盘用镍基粉末高温合金的研究进展,分析了国内在粉末高温合金的研制过程中面临的问题及其解决途径。

FGH95镍基粉末高温合金的研究和展望

粉末高温合金由于自身特有的组织和性能特点成为先进航空发动机涡轮盘和涡轮挡环的优选材料。总结我国20世纪80年代初开始研制的第一代镍基粉末高温合金FGH95在制粉工艺、粉处理工艺、成形工艺和热处理工艺等方面的研究工作。着重介绍FGH95合金生产中所采用的等离子旋转电极制粉工艺(Plasma rotating electrode process,PREP),筛分和静电分离去除夹杂工艺,直接热等静压(Hot isostatic pressing,HIP)和热等静压+包套锻造(HIP+Forging)成形工艺,以及固熔+盐淬热处理工艺。展望氩气雾化制粉(Argon atomizatio,AA)和直接热等静压成形在FGH95合金低成本制造上的发展优势和高固溶缓冷热处理工艺对提高合金抗疲劳裂纹扩展能力的影响,提出下一步的研究方向。

镍基粉末高温合金中夹杂物导致裂纹萌生和扩展行为的研究

采用扫描电镜原位拉伸和原位疲劳的方法,跟踪观察了人工植入Al2O3夹杂物的镍基粉末高温合金P/MRene95中夹杂物导致裂纹萌生、扩展乃至断裂的过程,结果表明,无论是在单轴拉伸还是低周疲劳实验中,裂纹均首先萌生于脆性非金属夹杂物Al2O3处,大于一定尺寸的夹杂物,还会使该裂纹扩展成为导致合金断裂的主裂纹,从而大大降低合金的屈服强度、断裂强度及低周疲劳寿命。

镍基粉末高温合金的组织、性能与成型和热处理工艺关系的研究

分析了镍基粉末高温合金的成型、热处理等冶金工艺及夹杂缺陷的性质等与合金组织和性能的关系,描述了粉末高温合金的热处理工艺,提出了今后我们粉末高温合金组织性能研究工作的重点。

新型镍基粉末高温合金的高温变形行为

采用Gleeble-1500热模拟机对新型第三代镍基粉末高温合金FGH98Ⅰ在不同变形温度（950～1150℃）及不同变形速率（0.0003^1s-1）下高温变形行为进行了研究,绘制了动态RTT曲线,并建立了合金的热变形本构关系。结果表明：合金的流变应力随变形温度的升高和应变速率的降低而降低,当变形温度≤1100℃、应变速率≥0.0003s-1时,其流变应力随应变量增加呈动态再结晶特征;在应变速率≤0.01s-1的高温变形条件下,其动态再结晶的开始时间与变形温度无线性关系;实验验证了采用考虑应变量的双曲正弦模型能较好地反映合金在热变形过程中流变应力的变化规律。

拉伸载荷下镍基粉末高温合金中夹杂物行为

采用扫描电镜原位拉伸方法,跟踪观察了人工植入Al2O3夹杂物的镍基粉末高温合 金P／MRene95中夹杂物导致裂纹萌生、扩展乃至断裂的过程.结果表明,在单轴拉伸载荷下, 裂纹首先萌生于脆性非金属夹杂物Al2O3处,大于一定尺寸的夹杂物,还会使该裂纹扩展成为 导致合金断裂的主裂纹,从而大大降低合金的屈服强度及断裂强度.

应变速率对挤压态镍基粉末高温合金异常晶粒长大的影响

采用真空等温热变形试验机在恒应变速率和真空环境条件下,对挤压态镍基粉末高温合金试样20 mm×20mm×50 mm进行了等温应变梯度变形试验研究。分别在最大应变速率0.001、0.01、0.1、1 s-1和变形温度1070℃条件下,所有试样最大应变处等温变形至真应变1.0。结果表明:随应变速率的升高,异常晶粒长大位置由大应变区逐渐移至小应变区,异常晶粒长大变得严重,而在高应变速率时,温升越大,试样异常晶粒长大的情况越严重;借助EBSD技术可以计算晶粒形变程度,大应变区域具有较大的晶粒形变程度,异常晶粒长大区域具有较小的晶粒形变程度,由于晶粒形变程度高的区域位错密度大,晶内储存能量较高,易于发生再结晶,晶粒形变程度低的区域位错密度小,位错优先用于晶粒长大。

镍基粉末冶金零件的切削试验研究

对陶瓷刀具和硬质合金刀具进行了镍基粉末冶金零件的干切削对比试验,测量了切削力和加工表面粗糙度,分析了刀具的磨损机理。试验结果表明:陶瓷刀具的切削性能明显优于硬质合金,适合于粉末冶金零件的切削加工。

镍基粉末冶金FGH95高温合金的拉伸及低周疲劳性能研究(英文)

在420～650℃的温度范围内,研究了PMFGH95高温合金在应变率0.0001～0.01s-1范围内的拉伸性能及在不同应力比R=-1及R=0下的低周疲劳性能。拉伸试验结果表明:在此温度范围内,应变率对弹性模量、拉伸屈服强度及塑性模量的影响可以忽略不计;并且应变率自0.0001s-1增大至0.01s-1时,弹性模量、拉伸屈服强度及塑性模量受温度的影响也不明显。PMFGH95合金受材料微结构的影响很大,材料含有的微缺陷对其力学性能有非常不利的影响。LCF试验结果表明:PMFGH95合金是循环硬化材料。当应力比R=-1时,温度对LCF寿命的影响很小;但在应力比R=0时,LCF寿命受温度的影响很大,且随着温度的增加材料的低周疲劳寿命减小。SEM断口扫描发现,断裂表面有很多的解理面,但没有疲劳条带,且此断裂模式下没有明显的塑性变形,所以FGH95合金的低周疲劳寿命几乎是由裂纹萌生阶段决定的。

航空发动机用新型镍基粉末高温合金涡轮盘双重晶粒尺寸组织的制备

镍基粉末高温合金涡轮盘进行双重晶粒组织制备时,需综合考虑多种因素对盘件温度场分布和晶粒尺寸的影响,完全通过实验进行研究存在研究周期长和花费大等缺点,而有限元数值模拟可作为一种重要的辅助研究手段。本文对作者自主研发的新型镍基粉末高温合金FGH98Ⅰ涡轮盘双重晶粒组织制备进行了实验与模拟的综合研究。结果表明:固溶温度是控制该合金晶粒长大的关键因素。在高于γ'相固溶温度时,晶粒尺寸随着温度升高而快速长大,据此建立了合金晶粒尺寸与固溶温度、保温时间之间的动力学函数关系式。另外,涡轮盘温度场的有限元模拟表明温度梯度主要取决于保温时间。在结合实验与有限元模拟结果所优化选择的热处理条件下,成功获得了轮缘和轮心晶粒度分别为ASTM 6～7和为ASTM 10～11的FGH98Ⅰ合金双重晶粒组织涡轮盘。

镍基粉末高温合金中碳、氧化物的遗传演变及对组织性能的影响

粉末高温合金由于其独特的生产工艺,往往在成形件中会产生夹杂物、原始颗粒边界(PPB)等缺陷。根据镍基粉末冶金(Powder metallurgy,PM)高温合金制造的主要工艺流程追溯碳化物、氧化物的遗传演变过程,分析其对成形件组织结构、裂纹扩展速率及疲劳寿命的影响,从而获得抑制消除缺陷的方案。

金属包套与镍基粉末冶金高温合金之间连接区的研究

本文通过观察金属包套与粉末冶金高温合金之间连接区形貌,分析了在镍基粉末冶金高温合金毛坯表面发现明显原始颗粒形貌的原因,重点研究了不锈钢包套与镍基粉末冶金高温合金之间的连接区。结果表明:连接区内在不锈钢和粉末冶金高温合金之间存在明显的界面,界面两侧存在扩散层,距离界面最近的镍基高温合金粉末仍保持原始粉末颗粒形貌;毛坯表面发现原始颗粒形貌是靠近粉末冶金高温合金一侧的界面没有完全去除造成的;界面、界面附近粉末原始颗粒形貌的形成与C扩散及镍基高温合金粉末元素偏析有关,连接区Ⅰ厚度不小于167μm,连接区Ⅱ厚度不小于716μm。