镍基高温合金DZ125的单边缺口蠕变行为

为了研究非对称结构特征导致复杂应力状态下的蠕变持久问题,本文通过DZ125合金单边缺口平板试件的蠕变试验,揭示了非对称结构特征作用下持久性能的弱化效应;通过分析缺口试件的裂纹起裂机理,发现缺口根部区域蠕变裂纹萌生是缺口根部应力集中和枝晶间组织缺陷共同作用的结果;基于耦合KR蠕变损伤的黏塑性本构理论,分析了蠕变松弛后缺口根部截面截然不同的应力分布特征;结合观测到的试件裂纹萌生和断口形貌规律,证实了单边缺口带来的附加弯矩加剧了缺口根部附近区域塑性变形的累积过程,缺口平分面上的压应力区域与断口瞬断特征能较好地关联。

杂质元素含量对定向凝固镍基高温合金DZ125L微观组织及铸造性能的影响

采用金相显微镜、扫描电镜(SEM)、初熔实验等方法对不同杂质元素含量的定向凝固镍基高温合金DZ125L微观组织和铸造性能进行了详细的分析。研究结果表明,杂质元素含量较高的合金中显微疏松、夹杂数量增多,且会导致合金中大量生成以氮化物或氧化物为核心的碳化物;杂质元素含量的升高会导致DZ125L合金初熔温度的降低,并会导致合金的铸造工艺性能变差,热裂倾向性明显增加。

高温度梯度定向凝固镍基高温合金DZ125的组织演化

采用液态金属冷却(LMC)定向凝固结合液淬法,在温度梯度(G)为250K/cm,凝固速率(V)为2—400μm/s的条件下系统研究了镍基高温合金DZ125的固/液界面形态、胞/枝晶间距及MC碳化物形态.随着V的增大,界面形态经历了浅胞状→深胞状→粗枝晶→细枝晶的转变.一次胞晶间距随着V的增大而增大,当V=5μm/s时,固/液界面达到胞枝转变点,且一次枝晶间距达到最大值.当V≥10μm/s时,一次枝晶间距和二次枝晶间距随着V的增大而减小.MC碳化物生长形态随着V的增大由胞枝转变点的八面体依次向骨架状、汉字体状、细小枝晶转变.分析表明,一次枝晶间距与Trivedi模型和Ma模型吻合较好,同时,低速下(V≤50μm/s)一次枝晶间距与Hunt-Lu模型吻合得很好,但高速时发生了明显的偏差.通过非线性拟合得到一次枝晶间距和二次枝晶间距与V分别满足λ_1=314.6V^(-0.24±0.02)和λ_2=97.76V^(-0.33±0.01).MC碳化物在凝固中后期由液相析出,其形态主要受到固/液界面形态和V的影响.

定向凝固镍基高温合金DZ125平界面生长的微观组织演化

采用液态金属冷却(LMC)定向凝固技术,对镍基高温合金DZ125在凝固速率为1.5μm/s的条件下其平界面生长的微观组织演化规律进行了研究.结果表明:凝固组织演化经历3个不同的阶段,当凝固分数f_s≤0.26时,为单相γ组织,基体中零星分布着细小的颗粒状的未熔HfC;当0.26<f_s<0.86时,为γ/MC共生组织,MC为纤维状或者板片状;当f_s≥0.86时,为γ/γ′共晶组织和分布于其中的粗大块状MC.EPMA结果表明:Al,Ti,Ta和Mo含量随f_s的增大而增大;而W,Cr和Co含量随f_s的增大而减小.分析指出,凝固组织转变是由于溶质再分配产生的宏观溶质分布不均匀造成的.

DZ 125镍基高温合金表面电子束物理气相沉积涂层的扩散行为研究

研究了DZ 125镍基高温合金表面电子束物理气相沉积涂层的扩散行为。结果表明,DZ 125镍基高温合金表面电子束物理气相沉积60Co22Cr12Al1.2Y涂层互扩散区主要物相组成有3个,分别为白色的MC型碳化物、黑色的β相和灰色的γ/γ′相。二次涂覆后的60Co22Cr12Al1.2Y涂层具有较好的抗静态氧化能力。

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。

镍基单晶高温合金近服役环境性能研究进展

航空发动机与燃气轮机作为国之重器,对保障国防安全和能源安全具有重要意义。随着发动机效率的不断提升,涡轮进气口温度不断提高。先进叶片往往采用高代次单晶高温合金材料制备,具有薄壁、多孔复杂冷却结构,且表面涂覆先进涂层,因而先进单晶叶片结构越来越精细复杂,服役过程中叶片不同部位温度场、应力场分布变化更大,其损伤机制无法通过传统棒状试样的变形损伤机制完全体现。基于先进单晶叶片的结构特点及服役环境特点,综述了叶片结构(薄壁、气膜孔)、二次枝晶取向(二次取向)及先进涂层等单一因素及多因素耦合作用对单晶合金拉伸、蠕变及疲劳等典型性能的影响规律及损伤机理研究,并对镍基单晶高温合金近服役环境性能研究的发展方向进行展望。

浇注温度与型壳温度对K4648镍基高温合金组织和性能的影响

针对某型号燃气涡轮导向器用K4648镍基高温合金室温冲击韧性无法达到标准要求(冲击韧性大于20 J·cm^(-2))的问题,在不同的浇注温度与型壳温度(1 490℃/1 050℃,1 490℃/950℃,1 460℃/1 050℃)下制备了K4648镍基高温合金,并进行了固溶+标准热处理,研究了浇注温度与型壳温度对合金显微组织和冲击性能的影响,获得了优化的工艺参数。结果表明:当型壳温度或浇注温度较低时,K4648镍基高温合金的晶粒尺寸和二次枝晶间距较小,块状初生α-Cr相含量较少、尺寸较小,合金的冲击韧性较大,冲击断口处次生裂纹数量较少;优化工艺参数为型壳温度950℃、浇注温度1 490℃,此工艺参数下制备的K4648镍基高温合金的冲击韧性最大,为21.4 J·cm^(-2),满足标准要求。

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。

低塑性加工对定向凝固镍基合金DZ125高温氧化性能的影响

本工作在常温下对定向凝固镍基高温合金DZ125进行表面低塑性加工(熨压),并研究其高温抗氧化性能。通过微观组织分析发现,DZ125经过低塑性加工后,表面层微观组织由原始柱状晶转变为纳米晶,平均晶粒尺寸约10 nm。研究DZ125在950℃时的恒温氧化性能发现,低塑性加工样品表面氧化物主要为氧化铝(Al2O3)。高温下Al2O3稳定性优于氧化铬(Cr2O3),对材料的高温抗氧化性能产生正面效应,获得的氧化膜相对致密且均匀,氧化动力学曲线呈现抛物线规律。通过EDS分析试样横截面,固溶态及低塑性加工态的DZ125出现了不同程度的内氧化,低塑性加工状态下,氧化层较厚且明显。

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。

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。

镍基高温合金GH4169端铣加工表面形貌研究

研究镍基高温合金GH4169端铣加工表面形貌影响因素,对控制GH4169的加工表面粗糙度和提高GH4169加工质量有着重要意义。基于单因素端铣试验,探明了铣削速度、铣削深度、每齿进给量及铣削宽度对表面粗糙度和三维表面形貌的影响机理及规律。研究表明,对表面粗糙度的影响程度由大到小依次为每齿进给量、铣削宽度、铣削速度、铣削深度;加工表面呈现出纵横相间的纹理,且对表面纹理深度的影响程度由大到小依次为铣削速度、铣削深度、每齿进给量、铣削宽度;结合加工表面粗糙度与三维表面形貌选取最佳加工参数:铣削速度V=100 m/min,铣削深度t=0.1 mm,每齿进给量f_(z)=0.025 mm/z,铣削宽度a_(w)=5 mm。

航天用镍基高温合金粉末床熔融技术研究进展

采用激光粉末床熔融技术(LPBF)制造镍基高温合金具有较大的生产潜力,在航空航天领域有着广泛的应用,因此这一技术受到了高度关注。近年来,为了更好地了解LPBF-镍基高温合金的性能和使用极限,相关学者对其开展了大量的研究工作。本文基于近年来多项LPBF-镍基高温合金的研究,阐述了该领域的研究目标和重要发现,并列举了LPBF镍基高温合金在航天工业中的具体应用。总体分析了工艺参数和热处理对镍基高温合金及其复合材料增材构件组织及力学性能的影响,以及LPBF过程中常用的建模方法及研究进展。最后,对LPBF-镍基高温合金的未来发展方向提出了展望。

热等静压对一种激光增材制造镍基高温合金组织与性能的影响

以ZGH451合金为研究对象,利用OM、SEM、EBSD等手段研究了热等静压前后的微观组织和力学性能。结果表明,经热等静压工艺处理后,ZGH451合金试样熔池消失,微观组织仍为柱状晶,晶粒尺寸和方向基本和沉积态试样保持一致,未出现再结晶和晶粒长大现象。合金显微缺陷大量减少,微孔体积分数由0.226 5%下降至0.000 512 5%,有效直径由80μm下降至13.5μm。随着热等静压处理温度的升高,位错密度逐渐降低。经热等静压工艺处理后,残余应力从拉应力变为压应力,抗拉强度未发生明显改变;维氏硬度和断后拉伸率大幅上升,HIP1180工艺处理的ZGH451合金维氏硬度从HV 411上升至HV 430,增加了4.7%;断后伸长率提高了35.29%。经过合适的热等静压工艺处理后,使ZGH451合金获得了良好的拉伸性能。

镍基高温合金增材制造研究进展

镍基高温合金因其优异的高温强度及耐腐蚀、抗氧化性能而备受关注,被广泛应用于航空航天等领域。本文对增材制造镍基高温合金的制备方法、常见牌号以及合金的组织与性能进行了综述,总结了当前存在的问题,提出了未来值得探索的研究领域。金属增材制造技术制备的镍基高温合金具有良好性能,能实现复杂构件精密成形,且制备过程中材料浪费少,有望成为未来航空航天等领域中镍基高温合金构件的重要制备工艺。常见的镍基高温合金增材制造方法有粉末床熔化、定向能量沉积和电弧增材制造等,粉末床熔化被广泛用于制造高精度和复杂零件,但制造速度相对较慢,且设备和材料成本较高。定向能量沉积自由度和灵活性更高,可用于制备功能性梯度材料,但精度较低。电弧增材制造具有较低的设备成本和材料成本,适用于大型零件的快速制造,但其制备的合金表面粗糙度较差,需要进行额外的加工或后处理。在增材制造过程中被广泛研究的镍基高温合金包含IN625,Hastelloy X等固溶强化型和IN718,CM247LC,IN738LC等沉淀强化型高温合金。与传统的铸造和锻造方法相比,增材制造独特的逐层成型、快冷快热的制备过程带来了粗大的柱状晶粒组织和大量细小晶粒的独特微观组织,还形成了独特的熔池组织及位错胞结构。但是,通过增材制造得到的合金一般还需要进行热处理,对晶粒组织、析出相等进行调控,从而影响合金的力学性能。此外,增材制造镍基高温合金的力学性能还与具体制备方法和合金种类有关。尽管目前增材制造已被广泛用于镍基高温合金的制备,但仍面临组织与性能存在各向异性、高性能合金开裂敏感性高以及缺乏相应的规范和标准等问题,将来需要在热处理、专用合金的定制与开发、探索工艺-结构-功能关系以及计算建模等方面深入探索。

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。

IN718镍基高温合金熔体脱氮和TiN析出热力学研究

低氮含量可控制TiN夹杂物生成,从而提高镍基高温合金冶金质量和综合性能。通过比较镍基和铁基金属液中标准吉布斯自由能和合金元素对N、Ti活度相互作用系数的差别,指出镍基和铁基中两套不同的热力学数据,二者不能混用。以目前已有的镍基高温合金的热力学参数建立了IN718合金脱氮热力学模型,得出在满足其他冶炼条件的前提下,适当降低温度和提高真空度以降低氮气分压是降低合金液中氮含量的直接手段,以及不同合金元素加入对脱氮的不同影响。同时,建立TiN析出的热力学模型以及偏析模型,计算结果得出,在IN718的生产温度1450℃条件下,控制合金液中的w[N]在43.69×10^(-6)以下,凝固过程中溶质元素N、Ti在液相中富集TiN析出,计算析出温度为1468 K,此时固相分率fs为0.829。若要控制固相分率fs分别在90%或95%以上才会析出TiN夹杂物,w[N]需分别控制在25.00×10^(-6)和15.00×10^(-6)以下。

激光增材制造沉淀强化镍基高温合金热裂纹研究进展

针对沉淀强化镍基高温合金中的裂纹现象,对比了2类热裂纹(即凝固裂纹和液化裂纹)的典型特征、形成位置和条件。从枝晶生长、元素偏析、强化相析出、固态相变和残余应力应变等角度,系统综述了热裂纹的形成机理和热裂纹敏感性影响因素。在此基础上,从合金成分调控、工艺参数优化、基板预热以及热等静压处理等方面,概述了增材制造高温合金热裂纹调控和抑制的主要措施。最后,针对激光增材制造沉淀强化镍基高温合金热裂纹研究中存在的问题,提出了进一步研究和发展的建议,为实现无裂纹镍基高温合金的增材制造提供了参考。

DZ125镍基合金的显微组织与蠕变行为

通过蠕变性能测试及组织形貌观察,研究DZ125合金的高温蠕变行为。结果表明:经完全热处理后,合金在枝晶干/间区域存在明显的组织不均匀性,粗大γ′相存在于枝晶问,细小γ′相存在于枝晶干。蠕变初期合金中γ′相已转变成筏状结构,稳态蠕变期间合金的变形机制是位错攀移越过γ′相,其中,位错攀移期间,易形成位错的割阶,空位的形成和扩散是位错攀移的控制环节。而蠕变后期合金的变形机制是位错在基体中滑移和剪切进入筏状γ′相。在高温蠕变后期,合金中裂纹首先在晶界处萌生与扩展,且不同形态晶界具有不同的损伤特征,其中,沿应力轴成45°角晶界承受蠕变损伤的较大剪切应力可使其发生较大几率的蠕变损伤;而加入的元素Hf促进细小粒状相沿晶界的析出,可抑制晶界滑移,提高晶界强度,是合金蠕变断裂后晶界呈现非光滑表面的主要原因。