镍基高温合金旋压成形技术研究现状

镍基高温合金薄壁构件是高端装备的核心零部件,旋压成形是实现此类零件高精度、高性能制造最有效的方法之一。从可旋性、旋压成形质量、微观组织演变及形/性一体化控制等方面对镍基高温合金旋压成形技术研究进展进行综述。分析了镍基高温合金流动旋压时不同坯料初始组织和成形温度条件下的可旋性;总结了旋压成形参数对宏观成形质量的影响规律;阐述了筒形件室温流动旋压及热流动旋压成形时微观组织演变机制;探讨了热流动旋压成形时的形/性一体化控制方法。

喷射成形镍基高温合金的研究进展

喷射成形是一种新型快速凝固技术,采用这项技术制备的镍基合金,具有细小、球状的晶粒和均一的组织,从而提高其性能。综述了喷射成形镍基高温合金的发展概况及组织、性能特点。

变能量激光选区熔化IN718镍基超合金的成形工艺及高温机械性能

开展了基于激光选区熔化技术对IN718镍基超合金直接激光熔化成形的研究。将零件分为心部与轮廓区,通过改变激光线输入量进行选区熔化研究。首先,建立熔池内烧结的数值模型,改变激光线输入量,获得了激光线输入量对零件致密度的影响规律并观察了成形体中的组织生长。然后,增加轮廓部位扫描,改变激光线输入量与扫描顺序,获得其对零件表面质量的影响规律。最后,通过优化热处理工艺提高零件高温拉伸强度和高温持久性能。试验结果表明,在激光线输入量为300J/m时,成形体致密度最高,为98.9%,成形体沿层间方向组织为树枝晶加等轴晶,在层内方向组织为等轴晶。采用心部+后轮廓扫描的方式,轮廓激光线输入量为100J/m时表面质量最优,粗糙度为3.1μm。对成形体采用1 065℃固溶+双时效的热处理可以获得最佳高温性能组合,高温拉伸强度为1 356MPa,高温持久时间为34h。结果显示,通过激光选区熔化制作IN718镍基超合金可以满足航空结构件对致密度、表面质量和高温性能要求。

喷射成形镍基高温合金短期时效γ′相长大动力学

利用喷射成形工艺制备了GH742y高温合金沉积坯锭,对其在780～850℃温度区间进行2～12h短期时效处理;测量了780℃不同时效时间条件下的喷射成形合金和铸造合金的电阻率,从而计算了相应的空位迁移能。采用光学显微镜、扫描电镜和图像分析软件对喷射成形GH742y合金的γ′相形态、尺寸变化及长大动力学进行了研究。结果表明,在时效过程中γ′相逐渐转变为球形,随时效温度的升高和时间的延长γ′相尺寸增加,但温度对其影响比时间更为显著;计算得到合金的扩散激活能为130.9kJ/mol,从而确定其长大动力学方程为■t3-■03=9.4×1013·(tT)·exp(-130.9RT);测得780℃下喷射成形合金的空位迁移能为0.21eV,铸造合金的为1.16eV,因此喷射成形高温合金更容易形成大量的空位,导致其电阻率比铸造合金的高,而激活能值则较小,从而促进了元素扩散速度,缩短了峰时效硬化时间。

氩气雾化喷射成形的镍基高温合金

利用氩气雾化喷射沉积技术制备了镍基高温合金沉积坯， 沉积坯整体致密、组织均匀、无宏观偏析、含气量低。从雾化颗粒特性、沉积坯的孔隙度、晶粒度、微观组织等方面评价了沉积坯质量， 并进行了工艺优化， 初步研究了沉积坯孔隙度的形成和影响机制。另外，

喷射成形镍基高温合金的显微组织特征

采用喷射成形技术制备了镍基高温合金沉积坯， 对合金沉积态、热等静压态和热处理态的显微组织进行了观察， 并对其热处理后的维氏硬度、拉伸性能及断裂组织特征进行了测试和分析。结果表明， 喷射成形高温合金组织细小、均匀， 呈现出典型的快速凝固组织特征。合金具有良好的高温组织稳定性，

喷射成形镍基高温合金冷却速度的评价

本文采用X射线衍射技术分析了喷射成形镍基高温合金在不同状态下的晶格常数变化规律 ,由此对喷射沉积坯锭的冷却效果进行了评价 ,提出用“综合冷却速度”的概念来统一表征喷射成形材料的快速凝固效果 ,并分析了喷射成形条件下的晶格畸变和固溶度变化。

喷射成形镍基高温合金的拉伸断裂行为

采用扫描电镜和透射电镜 ,观察与分析喷射成形镍基高温合金的拉伸断口和动态拉伸行为。结果表明 ,拉伸断口呈典型的韧性断裂特征 ,位错以绕过和切过相结合机制与γ′相发生相互作用。

基于ABAQUS镍基高温合金锯齿形切屑形成过程的有限元模拟

为了研究和预测镍基高温合金切削加工中锯齿形切屑形成过程,利用有限元分析软件ABAQUS建立了正交切削的有限元模型。该模型采用修正的Johnson-Cook非线性热黏塑性本构模型、剪切失效切屑断裂准则和粘结-滑移混合摩擦模型等关键技术,并通过模拟与试验的对比分析,验证了其准确性。模拟及分析结果表明,锯齿形切屑形成过程包括窄带状第一变形区的形成和集中剪切滑移带的形成两个阶段,突变性剪切失稳是锯齿形切屑形成的诱因。

镍基高温合金筒形件毛坯错距旋压工艺研究

GH4169镍基高温合金筒形件流动旋压成形的难点是在大长径比、变壁厚的情况下保证内径精度。论述了该件流动旋压成形的工艺路线的制定、试验方法。在旋压过程中采用了错距旋压,探索了错距流动旋压的工艺参数对尺寸精度的影响,为该类产品的旋压成形提供了技术支持。

激光选区熔化镍基高温合金GH4169的成形工艺与显微组织研究

开展了基于激光选区熔化技术对镍基高温合金GH4169成形工艺的研究。研究了激光扫描速度和激光功率对成形试样组织的影响,及激光加工工艺参数对试样显微组织、致密化行为的影响。结果表明:当激光扫描速度一定,激光功率较低时,熔池的球化效应明显,材料内部形成较多孔洞,致密度较低;随着激光功率的提高,熔池内金属溶液表面张力减小,球化效应明显减弱,致密度随之提高。当激光功率一定,扫描速度较低时,金属溶液补缩能力强,材料组织致密,仅存在少量气孔;随着扫描速度的提高,熔池变窄变浅,相邻熔道及层间材料缺陷明显增多。当激光束能量密度较高时,粉末吸收能量较多,熔池温度高,凝固速率低,易形成粗大的柱状晶。在优化工艺参数下(激光功率335 W、激光扫描速率680 mm/s),成形体的致密度最高(98.7%)。

镍基合金Inconel 740激光近净成形多方向温度场

利用ANSYS有限元数值模拟研究镍基高温合金激光近净成形中沉积方向(单层10道(0o方向)、斜对角10道(12o方向)、单道10层(90o方向))对第一道的热影响规律,并结合实验对模拟结果进行进一步的验证。结果表明:沉积单道10层对第一道的热影响最大。随着层(道)数增加,3个沉积方向的温度梯度均减小,单层10道方向与斜对角10道方向减小趋势相同;熔覆过程中第一道上中心点应力σx由压应力逐渐转变成拉应力,并且沉积单层10道时第一道上的拉应力数值最大。观察镍基合金Inconel 740成型后的组织发现,柱状晶的生长方向从下到上呈外延生长特征并略偏向于材料沉积方向,与模拟结果一致。

镍基单晶高温合金DD11杂晶形核的热力学研究

以单晶叶片在研制过程中常出现杂晶而导致产品不合格为研究背景,以DD11合金单晶叶片缘板杂晶为研究对象,通过测试叶片缘板在定向凝固中的冷却速率,借助差热分析法(DSC)以相同冷却速率条件下测定DD11合金的形核临界过冷度及熔化潜热。利用扫描电镜(SEM)观察合金与型壳之间界面的化学反应情况,采用液滴法测量了合金熔体与型壳的润湿角,并完成了合金固液界面能及杂晶形核功的定量分析。结果表明,DD11合金与型壳基体属不润湿系统,润湿角为145.47°;DD11合金单晶叶片缘板杂晶形核临界半径为43.07 nm,临界形核功为0.938×10^(-15) J;较大的合金异质形核临界过冷度及合金熔体与型壳的润湿角有利于减少杂晶的产生。本研究对控制单晶叶片杂晶形核及提高产品合格率具有一定理论指导意义。

基于ABAQUS的镍基高温合金锯齿形切屑演变过程及机理研究

利用ABAQUS软件建立正交切削有限元模型。该切削有限元模型采用修正的Johnson-Cook非线性热黏塑性本构关系和修正的Coulomb摩擦理论以及金属切削切屑剪切失效断裂准则,并通过模拟与试验的对比分析,验证了其正确性。模拟与分析结果表明:锯齿形切屑的演变过程由锯齿雏形、锯齿雏形到锯齿节块、锯齿节块到锯齿切屑三个阶段组成。温度弱化作用使剪切滑移变形始于切削层下部(靠近刀尖区域),并呈尖峰状向切削层顶表面方向扩展;当刀尖处金属发生热塑失稳时,剪切滑移瞬间扩展至切削层顶表面,形成了完整的剪切滑移窄带,形成锯齿雏形;剪切滑移窄带内的金属基本均处于热塑失稳状态,锯齿雏形将沿着整个变形窄带发生集中剪切滑移变形,形成锯齿节块;锯齿节块进入第Ⅱ变形区后,集中滑移窄带内的金属仍处于热塑失稳状态,在前刀面的推挤作用下,锯齿节块将继续沿着集中滑移窄带发生集中剪切滑移变形,直至离开第Ⅱ变形区,形成锯齿切屑。

Nb含量对发动机用激光增材成形Inconel925镍基高温合金组织和硬度的影响

为拓展激光增材工艺(LAM)在Inconel925镍基高温合金加工与修复方面的应用,采用球磨合金化方法制备了Inconel925合金粉末,以LAM工艺加工不同Nb含量的Inconel925试样,分析了Nb含量对发动机用LAM成形Inconel925镍基高温合金组织和硬度的影响。研究结果表明:当Nb含量上升后,形成了更加明显的二次枝晶臂,随着Nb含量增大,开始形成清晰的二次枝晶臂;当Nb加入量提高后,沉积态试样中枝晶干γ相含有的Nb比例升高。经过固溶处理试样在显微组织方面存在显著差异性。当固溶温度上升后,在基体内溶入了更多的枝晶间Laves相,得到了更加均匀的组织。固溶态试样在显微硬度方面都表现为随Nb含量的升高而增大,在Nb含量11%时沉积态试样达到最高显微硬度。当固溶温度上升后,试样硬度降低趋势也变得更加平缓。

镍基高温合金切削加工锯齿形切屑研究

以镍基高温合金GH4169和GH3030为研究对象,采用未涂层和涂层刀具进行车削加工试验,通过对金相、切削力、切削温度及刀具磨损形态的检测,阐明锯齿形切屑形成的机理,并对两种材料的切削加工性进行比较。研究结果为该类材料切削工艺的优化提供了试验依据。

高精度高温合金薄壁管旋压成形

对用于成形波纹管的GH4 16 9高温合金薄壁管的旋压成形进行了试验研究 ,分析了焊接管坯质量、旋压工艺等因素对薄壁管成形精度的影响 。

不同温度锻压时Inconel 625镍基高温合金的形变量和晶粒尺寸

将Inconel 625镍基高温合金分别加热到1 050,1 150℃,保温1.5h后在16kJ锻压能量下锻压并水淬,测试了其形变量、晶粒尺寸以及锻压力;分别采用定义法和切片法计算合金理论形变量,采用有限元锻压模型模拟合金晶粒尺寸,并与试验值进行了对比。结果表明:试验合金在1 150℃下的形变量为17mm,比在1 050℃下的高约2mm,最大锻压力比在1 050℃下的低;理论形变量与试验值的相对误差约为5%,用切片法和定义法均能较准确地预测合金形变量;模拟得到加热至1 150℃时合金的晶粒尺寸大于加热至1 050℃时的,加热至1 150℃锻压并淬火后表面和心部的晶粒度等级与试验值的相对误差均小于10%,模拟结果较准确。

镍基合金火焰筒拉深成形工艺研究

以某航空发动机中广泛应用的GH163镍基高温合金火焰筒为研究对象,针对当前该零件生产中所存在的问题,从材料成形性能研究、成形工艺模拟仿真及工艺验证的角度出发对镍基高温合金火焰筒成形工艺进行了优化。通过试验的方法得到了GH163合金常温下真实应力应变曲线及成形极限图(FLD),为其成形过程有限元模拟及成形工艺参数的制定提供了必要条件。利用有限元分析软件Dynaform对火焰筒成形工艺过程进行模拟仿真,确定了毛坯尺寸、压边力、摩擦系数等相关工艺参数并对其成形工艺进行了试验验证。结果表明:优化后的工艺方法所成形的火焰筒外形尺寸精度高、成形效率高,排除了传统工艺路线中焊接质量无法保证等不利因素。

高温合金喷射成形过喷粉末的凝固组织特征

研究了高温合金喷射成形过喷粉末凝固组织特征。结果表明： 粉末呈相当圆整的球形， 内部组织随颗粒粒度的不同呈现多晶核与单晶核生长及发达与欠发达枝晶形态， 粉末粒度在１０ ～２００ μｍ之间， 冷却速度在１０３ ～１０６ Ｋ／ｓ 之间。