IN718高温合金的新型热控凝固工艺优化

针对高温合金复杂薄壁铸件易出现欠铸、晶粒粗大和疏松等问题,开发了一种以“低温浇注、高温充型、顺序凝固”为特征的新型热控凝固工艺,研究了在1 380℃浇注温度下模壳温度(1 260~1 350℃)和抽拉速度(6~48 mm·min^(-1))等工艺参数对IN718高温合金圆柱试样组织的影响,并在优化工艺下进行了复杂薄壁特征结构件的成形试验。结果表明:随着模壳温度升高,试样的晶粒尺寸从2.33 mm增加到7.46 mm,且组织均匀性变差,断面等轴晶比例由98%降低到41%,疏松数量减少,尺寸减小。随着抽拉速度增大,晶粒尺寸从3.66 mm减小到2.69 mm,疏松数量增加,尺寸增大;当抽拉速度不小于24 mm·min^(-1)时,组织均匀性较好。最优工艺为模壳温度1 290℃、抽拉速度24 mm·min^(-1),采用该工艺可制备得到晶粒尺寸为0.81 mm、疏松面积分数仅为0.2%、最小壁厚为1.8 mm的IN718高温合金大面积薄壁特征结构件。

IN718高温合金表面Si改性铝化物涂层1000℃的氧化行为和微观组织演变

涡轮叶片的使用温度升高将严重降低镍基高温合金IN718的力学性能,高温合金表面需要制备抗氧化涂层来抵抗高温氧化和腐蚀的危害。本文系统研究了简单和Si改性铝化物涂层在1000℃下氧化200 h的微观结构演变。由于尖晶石NiCr_(2)O_(4)相和挥发性Cr_(3)O相的形成,IN718高温合金经氧化后发生严重剥落和失效。对于简单铝化物涂层,稳定的α-Al_(2)O_(3)氧化膜显著提高了抗氧化性,在氧化100~200 h时仅增重0.1 mg/cm^(2)。Si改性铝化物涂层由于外部涂层中存在Cr_(9.1)Si_(0.9)相并具有最大晶粒尺寸,表面快速形成了稳定的SiO_(2)氧化膜,产生较好的保护作用,内部形成的Al_(2)O_(3)氧化物与涂层形成钉扎效应,有效地防止氧化膜分层。Ni_(3)Si相的形成和生长产生了微裂纹,导致在氧化100~200 h时其增重率超过简单铝化物涂层,表明有效调节硅含量对于延长涡轮叶片的使用寿命至关重要。

高温合金IN718上气膜冷却孔电火花加工试验

针对高温合金IN718上0.5mm气膜冷却孔的加工,采用煤油中旋转电极内冲液电火花成型加工方法,利用正交试验设计方法对试验进行设计分析,分析峰值电流、脉宽、占空比和冲液压强4个因素对材料去除率和电极相对损耗的影响,基于正交试验结果建立综合评分公式,选择最优加工参数.研究结果表明,峰值电流对材料去除率的影响最明显,其次为冲液压强和占空比,脉宽对材料去除率的影响很小;峰值电流对电极相对损耗的影响最明显,其次为冲液压强,占空比和脉宽对电极相对损耗的影响很小;最优的加工参数峰值电流为8A、脉宽为130μs、占空比为0.35、冲液压强为5MPa,对该参数进行加工试验研究,与分析结果一致.

激光喷丸强化IN718高温合金抗热腐蚀机理

为了研究激光喷丸对IN718高温合金抗热腐蚀性能的影响,首先对IN718高温合金进行高功率激光喷丸强化处理,随后将试样置于800℃环境中进行热腐蚀试验,分别对比了喷丸样和未喷丸样残余压应力、微观组织、热腐蚀动力学曲线、腐蚀层的表面形貌和截面形貌等热腐蚀特性,最后阐述了激光喷丸强化IN718高温合金抗热腐蚀的机理.研究结果表明,激光喷丸样表层产生残余压应力且晶粒发生细化,喷丸样热腐蚀速率明显低于未喷丸样,喷丸样的腐蚀裂纹和腐蚀坑洞减少.分析认为晶粒细化加快了试样表面保护性氧化膜形成速度,减小了氧化膜内热应力和生长应力,残余压应力提高了表层氧化膜的黏附性.同时,晶粒细化以及高温下晶界δ相的析出阻碍了硫、氧等元素的侵入,减缓了内硫化氧化速度,从而提高了IN718高温合金的抗热腐蚀性能.

球形弹丸高速冲击IN718合金板的变形与破坏模式

为研究IN718镍基高温合金在高速冲击作用下的抗侵彻能力,采用直径为5 mm的304不锈钢球形弹丸,利用二级轻气炮试验装置对IN718靶板进行了一系列弹道冲击试验。通过高速摄像机进行拍摄,弹丸的入射速度范围为548.2~1067.0 m/s。对弹丸的剩余速度进行了测量和分析,并对弹道极限速度进行了验证,观察了靶板的变形和破坏模式以及弹孔直径。结果表明:在试验冲击范围之内,随着冲击速度的升高,靶板的变形模式由撕裂破坏到剪切破坏转变,靶板的穿甲破坏模式与冲击速度密切相关;靶板能量吸收效率随弹丸初始动能的增加而降低,且趋于常值0.7;靶板变形挠度随着冲击速度的升高呈减小趋势,且最大变形挠度出现在弹道极限附近;靶板正面和背面所形成的弹孔直径均随着冲击速度的升高而增大,且背面所形成的弹孔直径大于前面所形成的弹孔直径。

IN718镍基高温合金的热机械疲劳性能

对IN718镍基高温合金进行温度循环为350~650℃及不同应变幅条件下的同相(IP)和反相(OP)热机械疲劳试验;比较同相和反相的热机械疲劳循环应力响应行为、滞后回线以及疲劳寿命;运用金相显微镜、扫描电子显微镜对材料的微观结构以及断口特征进行分析。结果表明:IN718合金的热机械疲劳应力应变滞后回线最大拉应力与压应力不对称,表明合金在350~650℃范围内高温时抵抗变形阻力较小;合金的循环应力响应行为在低应变幅的同相热机械疲劳的高温半周呈现循环硬化现象,其余情况均为循环软化现象;合金的同相热机械疲劳寿命明显低于反相热机械疲劳寿命,合金热机械疲劳寿命在应变幅超过0.6%的条件下符合Coffin-Manson方程,在应变幅0.4%的情况下实际疲劳寿命值偏高;IN718合金的同相热机械疲劳的疲劳源处断口为沿晶断裂,反相热机械疲劳的为穿晶断裂,裂纹扩展区和瞬断区均为韧窝断裂。

水射流辅助纳秒激光加工In718高温合金微孔的实验研究

通过纳秒激光分别在空气和旁轴水射流辅助条件下对In718高温合金进行单脉冲叩击式打孔,研究了激光功率和加工次数对孔径和孔深的影响规律,总结了水射流辅助激光加工微孔的优点.结果表明:与在空气中相比,水射流辅助激光打孔时,水流良好的冷却作用可以减少激光热量在加工区域的累积;水流的冲击可以加速熔融物质从孔内排出,并能及时带离加工区域,从而提高激光打孔的去除效率,获得孔深更大、孔口表面更加光滑的微孔.为进一步研究旁轴水射流辅助激光加工微孔的去除机理奠定了基础.

高温合金薄壁圆筒焊接变形控制研究

为解决某型号航空发动机产品焊接加工难题,进行了Inconel 718高温合金薄壁圆筒零件焊接变形控制工艺研究。通过分析薄壁筒体焊接变形的原因,采取合理的接头设计、焊接工装设计、优化焊接工艺和焊后热处理及热处理防变形工装等措施,产品焊缝质量满足I级要求,焊缝圆度变形控制在0.2 mm以内。最终通过了验证,较好地控制了高温合金薄壁圆筒产品焊接变形,焊缝质量优良,可为相关薄壁圆筒产品焊接提供技术支持。

激光熔覆工艺参数对镍基高温合金成形形貌的影响

激光熔覆成形过程中,工艺参数的选取对熔覆成形质量至关重要。为解决熔覆成形控形难、工艺参数选取试错实验周期长的问题,采用ANSYS参数化语言APDL建立三维瞬态模型,模拟激光功率、扫描速度、送粉量、光斑直径4个工艺参数对温度和冷却速率的影响,优选出成形质量良好的工艺参数。结合3组实验结果,熔覆层的宽、高、深尺寸及晶相显微组织验证数值模拟的可行性。结果表明:模拟得出的最佳工艺参数为激光功率1400 W、扫描速度10 mm/s、送粉量1.8 r/min、光斑直径2 mm。熔覆层的宽、高、深数值模拟尺寸与实验结果一致,且优选的工艺参数成形质量优于对照组的成形质量,为IN718镍基高温合金激光熔覆成形控形问题提供了很强的参考价值。

激光选区熔化与传统加工IN718合金的组织与性能比较

对比研究了选区激光熔化(SLM)和轧制退火IN718合金的显微组织和力学性能。结果表明:由于快速冷凝造成的不平衡凝固使得SLM合金样品具有成分偏析、晶粒细小和晶内存在大量凝固胞的组织特点;且因为外延生长,出现建造方向平行于<100>晶向的强织构;经比较,轧制退火的合金样品组织均匀,晶粒尺寸是SLM样品的3倍,晶界和晶内分别观察到少量的laves和δ相,无成分偏析和亚结构存在,由于大量退火孪晶存在而使晶粒取向分布较随机。两种样品经拉伸性能试验发现,SLM样品的屈服强度和抗拉强度分别是轧制退火态的2.2和1.3倍,而延伸率有所下降,是轧制退火态的34.4%。分析认为SLM样品中晶粒细小和丰富的凝固胞亚结构是强度高的主要原因,延伸率较比传统加工样品的延伸率大幅降低应归结为打印缺陷,如孔隙和残余应力的存在。

预制坡口角度对激光增材再制造IN718合金组织与性能的影响

目的研究在激光增材再制造IN718合金过程中,不同预制坡口角度对其组织与性能的影响。方法利用激光增材再制造技术对不同预制凹槽进行逐层叠加修复,采用光学显微镜观察显微组织,采用扫描电镜观察断口形貌,采用维氏硬度计对再制造试样进行硬度测量,采用残余应力测试仪测量再制造后基体表面的残余应力,采用万能拉伸试验机进行拉伸力学性能测试。结果当预制坡口角度大于130°时,能得到无组织缺陷、成形质量良好的增材再制造试样;当预制坡口角度小于110°时,修复界面会出现熔合不良现象,且修复区内部会出现裂纹。预制大的坡口角度进行激光增材再制造试验能获得组织更加细密、硬度分布更为均匀的再制造层,且大的坡口角度能有效降低再制造试样基体的残余应力。增大坡口角度有助于提高再制造试样的塑性,随着坡口角度的减小,再制造试样的力学性能变差。结论在进行激光增材再制造试验时,不宜预制过小的坡口角度,应根据损伤情况预制坡口角度较大的凹槽,有助于增加再制造成形件的组织均匀性,提高其力学性能。

新型热处理制度获得高强高韧激光3D打印IN718合金

激光选区熔化(SLM)成型的IN718高温合金,存在高温强度及韧性无法兼得的难题。针对此问题,通过Double Doelhert设计矩阵优化IN718的激光3D打印参数,研究不同热处理制度与IN718力学性能的关系。结果表明:通过参数调控,可使SLM成型试样的致密度达到99.9%;通过采用创新性开发的固溶+短时双时效后处理制度,可获得高强、高韧的激光3D打印IN718合金,其力学性能全面达到锻件的技术指标。该办法为SLM成型IN718合金组织调控提供了新思路,新型后处理制度可广泛应用于SLM成型的航空发动机零件。

热处理温度及时间对IN718高温合金的影响

研究了热处理温度及时间对IN718高温合金微观组织、力学性能及抗腐蚀性能的影响。结果表明,经过810℃×30 min的热处理后,合金晶粒度为7~8级,微观组织均匀,缺陷较少,此时合金具有最佳的综合力学性能,硬度(HV)达到250.48,抗拉强度比未处理合金提升了8.48%,腐蚀点面积最小,约为1 132.66μm~2。经过900℃×30 min的热处理后的合金腐蚀后增重最少,约为0.001 0 g,其次是810℃×30 min热处理后的合金,增重约为0.001 3 g。

不同气氛对激光熔覆IN718涂层形貌、组织与性能的影响

目的研究不同气氛条件下激光熔覆IN718高温合金涂层的微观偏析。方法利用激光熔覆技术,在不同送粉气和不同保护气条件下制备了IN718高温合金涂层,并对制备的涂层进行双时效热处理。采用光学显微镜观察显微组织结构和特征,采用扫描电镜和能谱仪对涂层组织和相成分进行分析,采用维氏硬度计对涂层热处理前后的硬度进行测定。结果送粉气种类对熔覆层的形貌和组织有一定影响,而保护气种类对熔覆层的形貌和组织影响不明显。与氩气作为送粉气制备的涂层相比,氦气作为送粉气制备的涂层组织更加细密,Laves相的尺寸更小且分布更均匀,Laves相的体积分数由氩气送粉的9.35%减少到氦气送粉的5.25%,并且Laves相中Nb的质量分数由20%下降到16%,涂层硬度由287HV0.2提高到306HV0.2。双时效热处理后,涂层的显微硬度明显提高,氦气作为送粉气制备的涂层硬度为468HV0.2,高于氩气作为送粉气制备的涂层硬度447HV0.2。结论氦气作为送粉气能有效降低激光熔覆IN718涂层的Nb元素偏析,同时细化涂层组织,提高涂层显微硬度。氦气作为保护气对涂层形貌和组织的影响不明显。

重熔扫描对激光选区熔化成形IN718孔隙缺陷的影响

激光选区熔化技术以其一体化制造特点和对于复杂零部件制造的优势,在航空工业领域受到广泛关注,然而孔隙缺陷在成形零件中始终不可避免,通常有未完全熔合缺陷、气孔和封闭匙孔三种。针对零件成形过程中形成的孔隙缺陷,探索三种不同重熔扫描策略的最优成形工艺参数,并对重熔消除孔隙的机理进行了分析。研究表明,使用高于初次扫描的功率进行重熔能够形成足够深度的熔池以消除熔道内部孔洞,且重熔工艺还能提高成形样件的塑性性能。

IN718Plus高温合金的动态再结晶行为及模型研究

采用Gleeble-1500D热模拟试验机进行了单轴等温压缩实验,研究了IN718Plus镍基高温合金在变形温度1020~1140℃,应变速率0.001~1.000 s-1,变形量50%条件下的动态再结晶(DRX)行为,并建立了相关模型。研究结果表明:IN718Plus高温合金的动态再结晶行为对变形温度和应变速率敏感,动态再结晶晶粒尺寸及动态再结晶晶粒体积比随着变形温度的升高而增大,随着应变速率的加快而减小。在变形过程中,原始晶粒垂直于变形方向被拉长,细小的DRX晶核以晶界弓出的形式在原始晶粒边界处形核,并通过消耗原始变形晶粒的方式逐渐长大。当变形温度较低,应变速率较快时,动态再结晶程度不高,容易在合金变形组织产生典型的项链组织,且因此导致混晶现象严重。此外,以η相的溶解温度为界构建IN718Plus合金的动态再结晶临界应变模型、动力学模型以及晶粒尺寸模型, 3种模型精确度较高,能够较为准确的预测和表征该镍基高温合金的动态再结晶行为。

超声振动及热处理对激光直接成形IN718高温合金组织及性能的影响

研究了超声振动及热处理对激光直接成形IN718高温合金微观组织和拉伸性能的影响。结果表明:施加超声振动后,与沉积态相比,微观组织得到细化,显微硬度和拉伸性能得到提高,且抗拉强度、屈服强度和断面收缩率分别提高了2.7%、6.1%和10.6%;经均匀化+固溶+双极时效热处理后,柱状枝晶组织转变为等轴状再结晶组织,Laves相固溶消失,在晶界和晶内弥散析出颗粒状或细针状δ相,基体上析出大量γ″和γ′强化相,合金性能得到进一步改善,抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为1418 MPa、1217 MPa和19%,达到了锻件的技术标准Q/3B 548-1996(高强)。

过冷度对IN718高温合金组织演化影响(英文)

采用复合熔盐净化法进行了IN718高温合金快速凝固研究,获得了250 K的大过冷度,研究了合金深过冷凝固的组织演化过程.结合BCT模型,分析了合金凝固与组织转变机制.结果表明,过冷IN718高温合金的组织形貌受到熔体过冷度大小的影响.在0～250 K过冷度范围内,IN718高温合金凝固组织将发生两次晶粒细化：当0K≤△T＜63 K,凝固组织发生了第1次晶粒细化;当63 K≤△T＜90 K,发生第2次晶粒细化,随着过冷度的增大,凝固组织发生粗化;当90 K≤△T＜250 K,凝固组织由树枝晶向粒状晶转变,晶粒明显细化,平均晶粒尺寸达到5.5 μm.

燃气轮机用IN718高温合金改锻工艺

为了探索IN718高温合金大型燃气轮机轮盘锻件的制造工艺及质量控制要点,采用VIM+VAR制备的Φ450 mm大规格IN718高温合金近铸锭,进行了不同变形温度、改锻火次及包套方式等热变形参数的改锻并制成锻件,经固溶+时效热处理后通过水浸法超声波检测、光学金相检验及室温拉伸试验等方法对锻件进行研究。试验结果表明:对于超大规格的IN718高温合金近铸锭材料,通过在1080~1010℃加热进行反复镦拔,可明显改善锻件上、下端面的变形量,降低超声波检测时的噪声水平,获得等轴细晶组织并消除δ相的方向性,锻件的综合力学性能最优;镦拔中应注意减少坯料与平砧的传热,避免出现少数未再结晶的、顺着变形方向被拉长的扁长晶粒。

热处理对激光增材制造IN718合金组织及析出相演变的影响

研究了经过固溶+双时效(SA)、均匀化+双时效(HA)、均匀化+固溶+双时效(HSA)3种热处理后IN718合金的微观组织、析出相的演变。结果表明,沉积态试样中的显微组织为柱状晶结构,并贯穿多个沉积层;经过SA热处理后开始发生再结晶;经HA和HSA热处理后再结晶程度显著提高。热处理能够促进沉积态中的柱状晶逐渐向等轴晶转变。沉积态试样中存在γ基体、Laves相和一些碳化物;经过SA热处理后溶解了大部分的Laves偏析相,并在晶界、晶内、枝晶间析出大量的针状δ相,还有部分碳化物残留;经过HA热处理后,Laves偏析相、δ相全部溶解,只有少量的碳化物残留;经过HSA热处理后Laves偏析相全部溶解,在晶界处析出部分δ相,还有少量的碳化物残留。沉积态试样中没有γ′、γ″相析出,3种热处理状态均有大量的γ′、γ″相析出。