Inconel 718高温合金表面铝化物涂层的制备及其形成机制

Inconel 718高温合金表面制备的铝化物涂层的组织结构及其形成机理,是提高该高温合金抗高温氧化和耐腐蚀性能的关键。采用化学气相沉积法在高温合金Inconel 718表面制备了铝化物涂层,通过结合使用材料热力学模拟软件JMatPro、X射线衍射仪、X射线能谱仪和扫描电子显微镜等表征手段,详细研究了铝化物涂层的微观组织结构。研究结果表明:在1 050℃温度条件下,经过1.5 h反应,Inconel 718表面生成了双层结构的铝化物涂层,其外层厚度为14.1μm,主要由β-NiAl相组成,内层厚度为5.9μm,由σ相和Laves相组成;外层的β-NiAl相形成是由Inconel 718高温合金中的Ni元素外扩散至表面后,与环境中的卤化铝反应而生成的;大量的Ni元素外扩散导致高温合金中的γ-Ni相减少,当高温合金中Ni元素的含量(原子分数)减少至49%时γ-Ni相中开始析出Laves相,当Ni元素的含量减少至40%时σ相也开始析出,当Ni元素的含量最终降至9%时Inconel 718高温合金完全转变成由σ相和Laves相组成的铝化物内层。研究结果深入揭示了涂层形成的机理,为优化铝化物涂层制备工艺提供了重要的理论基础。同时,对于Inconel718高温合金的高温稳定性和腐蚀性能的提升具有实际应用价值。

CVD法制备Inconel 718高温合金表面铝化物涂层高温氧化行为研究

Inconel 718高温合金是燃气轮机和航空发动机热端部件的关键核心材料,其表面通常制备有铝化物涂层,起到提高抗氧化和热腐蚀性能的作用。理解铝化物涂层的高温氧化行为,是提高部件抗高温氧化能力的关键。采用化学气相沉积(CVD)技术,在Inconel 718高温合金表面制备了铝化物涂层,在大气环境、950℃条件下开展了恒温氧化测试,采用扫描电子显微镜、X射线衍射和X射线能谱等手段,研究了其高温氧化行为,并与Inconel 718高温合金进行对比。结果表明:Inconel 718高温合金表面制备的CVD铝化物涂层,其表面粗糙,具有双层结构。外层为富含Ni和Al元素的β-NiAl层,平均厚度为14.1μm,内层为富含Fe和Cr元素的σ相与富含Nb、Mo和Fe元素的Laves相共存的互扩散层,平均厚度为5.9μm。恒温氧化后,Inconel 718高温合金表面氧化生成了Cr_(2)O_(3)膜,而CVD铝化物涂层表面氧化生成了α-Al_(2)O_(3)膜。Cr_(2)O_(3)膜和α-Al_(2)O_(3)膜的生长都遵循抛物线型生长规律,Cr_(2)O_(3)膜的生长速率常数为0.86μm·h^(-1/2),α-Al_(2)O_(3)膜的生长速率常数为0.15μm·h^(-1/2)。此外,观察发现Inconel 718高温合金发生了内氧化,而CVD铝化物涂层未出现内氧化,两者氧化行为差异的原因在于CVD铝化物涂层中的β-NiAl相,其氧化生成均匀、连续、致密的α-Al_(2)O_(3)膜,阻止了内部金属发生进一步氧化。本研究揭示了Inconel 718高温合金和CVD铝化物涂层的抗高温氧化作用机理,为Inconel 718高温合金用高抗氧化性CVD铝化物涂层的制备及应用提供了技术支撑。

Inconel 718高温合金耐腐蚀表面层制备

微锻是一种通过微锻头对基体表面进行机械冲击,从而实现表面强化的工艺。针对深海海底条件下高温合金腐蚀失效的问题,提出一种基于微锻机械冲击作用的表面层制备工艺,实现Inconel 718高温合金防腐表面层的制备。实验结果表明,通过微锻制备的Inconel 718防腐表面层致密性好、孔隙较少且具有更小的晶粒尺寸,防腐性能相比基体至少提升了一个数量级;随着表面层厚度的增加和激光后处理的引入,微锻表面层的防腐性能呈现上升趋势。并解释了表面层增强Inconel 718高温合金耐腐蚀性能的机理是优异的阻隔效应和晶界的减少。相比传统防腐涂层,微锻表面层可以有效防止涂层脱落,因此有着更好的结合强度和稳定性。该工艺方案为采用微锻技术提升深海海底油气开采设备服役寿命提供了理论基础。

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。

Inconel 718合金O形环的高温压扁弹塑性行为

对Inconel718合金O形环试样进行了压扁-回弹试验研究,考察了本构模型各参数对O形环回弹量的影响.结果表明,先前低压缩比的加载历史对O形环后继高压缩比的回弹量没有影响;温度对O形环回弹量有一定程度影响;在压缩比为6%～30%,O形环回弹量与压缩比呈抛物律关系.运用ANSYS程序的接触分析功能,基于NLISO非线性等向强化本构模型对常温下O形环压扁-回弹过程的数值模拟结果与试验结果吻合较好.

Inconel718镍基高温合金的切削性能仿真

在考察Inconel718镍基高温合金的化学成分和有关性能的基础上,通过Deform-3D软件对其进行车削仿真,分析影响Inconel718镍基高温合金切削性能的主要因素,给出其最佳的切削速度、进给量和背吃刀量的组合。研究了不同换热系数和刀-屑摩擦因数对Inconel718镍基高温合金切削性能的影响,找到了恰当的冷却润滑方式。

高温长期时效后Inconel718合金的化学相分析

采用化学相分析的方法研究了经过高温长期时效后标准Inconel 718合金中的析出相 ,确认了Inconel 718合金中α Cr相的析出 ,同时也分析了α Cr ,γ′ +γ″ ,δ相以及MC数量随时效时间和时效温度的变化情况。

电子束精炼Inconel718合金的高温氧化行为

对真空感应熔炼的Inconel718合金进行了电子束精炼,在900,1 000℃空气中对电子束精炼前后的合金进行了恒温氧化试验,对比分析了其高温氧化行为。结果表明:电子束精炼后,合金在900℃氧化120h后的平均氧化速率为0.366 20g·m^(-2)·h^(-1),低于精炼前的,氧化激活能为280.90kJ·mol^(-1),高于精炼前的;900℃和1 000℃氧化120h后,电子束精炼合金氧化膜的外层由Cr_2O_3和TiO_2组成,中间层主要含有Cr_2O_3以及少量的TiO_2和NiCr_2O_4尖晶石,内层主要含有Al_2O_3;电子束精炼合金中微量杂质元素的含量较低且均匀分布,晶粒尺寸较大,合金的抗氧化性能较好。

Inconel 718合金短管高温低周疲劳行为

基于位移循环加载试验,对反应堆压力容器密封元件Inconel 718合金O形环短管试样变形幅控制下进行了常温和300℃高温低周疲劳试验研究.结果表明,在循环加载中试样发生接触力松弛,当位移压缩比峰值不低于8%且压缩比幅值超过0.6%时试样会产生低循环疲劳失效.采用弹塑性接触有限元方法对引发疲劳裂纹的试样危险局部的应力应变进行了分析,给出了位移压缩比幅值与危险局部应变幅值的短管疲劳寿命估算式.疲劳试样断口微观分析表明,在初始大变形引起的裂纹萌生区,断口微观形貌表现为晶体滑移与解理撕裂,而在裂纹扩展区表现为解理撕裂与疲劳辉纹共生的混合型裂纹扩展.

INCONEL 718(GH4169)高温合金的发展与工艺

INCONEL 718合金(IN718)自从20世纪60年代初在美国的INCO Huntington Alloys(现为Special Metals Co.)被发明并应用于涡轮零部件制造后,已成为航空发动机历史上应用最为广泛的镍基高温合金材料。现代飞机发动机上超过30%(质量分数)的关键零部件由718合金制成。本文回顾了718合金在航空发动机上的应用历史,对该合金的基本力学性能、高温稳定性,以及目前国外应用的铸、锻制造工艺现状做了综述。对国外正在研究的新型IN718衍生替代合金的发展现状进行了介绍。

DP工艺Inconel 718合金高温流变曲线修正及应变本构模型

采用等温热压缩实验研究DP工艺Inconel 718合金在变形温度为900~1060℃,应变速率为0.001~0.5 s^(-1)条件下的高温流变行为,分析摩擦因数和绝热温升对真应力-真应变曲线的影响,并对摩擦引起的流变应力误差进行了修正,建立了基于应变量的应变本构模型。结果表明:随着应变速率的增大和变形温度的降低,摩擦因数的影响趋于明显,变形激活能和材料常数是应变量的函数。对引入应变量参数建立的用于预测工艺处理的Inconel718合金不同变形量时的流变应力本构模型进行误差分析,其实验值与预测值的相关性系数为0.998,平均相对误差绝对值为3.87%,能够用于准确预测不同变形量时合金的流变应力值。

INCONEL718高温合金的发展

概述了ＩＮＣＯＮＥＬ７１８合金的特征、材料性能的研究进展及合金研究过程中的冶金工艺、Ｎｂ偏析、热加工及组织稳定性等热点问题，着重阐述ＩＮＣＯＮＥＬ７１８合金（相当于我国的ＧＨ１６９合金）在发展过程中存在的关键问题。

新型热处理方法制备超高强度Inconel 718合金

为改善Inconel718合金的组织并优化性能,提出一种980℃,1 min高温超短退火和随后的双时效相结合的新型热处理方法。结果表明,超短退火处理产生了部分再结晶组织,KAM图表明即使在变形晶粒中也形成了再结晶晶核。因此,高温超短退火克服了再结晶势垒,使得后续的再结晶过程可以在较低温度的时效处理过程中完成,从而获得了均匀细化的组织(~3.59μm)。980-1min-aged样品具有优异的拉伸性能,室温极限强度和总伸长率分别为1600 MPa和19%。650℃热拉伸条件下的极限强度和伸长率分别约为1350 MPa和26%。因此,高温超短退火能有效提高Inconel718合金的性能。

冷喷涂Inconel718高温合金涂层组织及微观硬度

采用冷喷涂技术在马氏体钢表面制备了Inconel 718高温合金涂层,利用SEM、显微硬度计和纳米压痕仪分析了涂层组织和微观硬度。结果表明,涂层厚度可达300μm以上,与基底界面结合良好,底部、中部和顶部涂层微观缺陷数量和尺寸依次增多;冷喷涂沉积过程不会对Inconel 718高温合金粒子的原始组织结构产生显著影响,沉积后粒子的外部轮廓发生了明显的扭曲变形,而心部变形较小;涂层底部、中部和顶部的显微硬度依次降低,与底部涂层相比,中部和顶部涂层显微硬度分别降低10%和21%;涂层平均纳米硬度较原始粒子显著降低,底部和顶部涂层分别降低13.5%和28%;涂层内部微观缺陷分布是影响涂层整体硬度的重要因素。

Inconel 718合金粉末热等静压成形及其影响因素

采用无坩埚感应熔炼超声气体雾化法(Electrode induction melting gas atomization,EIGA)和真空惰性气体雾化法(Vacuum induction melting gas atomization,VIGA)制备Inconel 718预合金粉末,随后采用热等静压工艺制备Inconel 718合金。研究制粉工艺、粉末粒度及包套结构对Inconel 718合金显微组织和力学性能的影响。研究结果表明,EIGA粉末具有更好的球形度,成形合金力学性能优于VIGA粉末;综合考虑力学性能、得粉率等因素,选择15~106μm粒度范围的粉末作为热等静压用粉末;包套壁厚的增加对作用在粉末上的有效应力产生屏蔽作用,空腔体积变化对致密化过程影响较小;粉末填充过程的长时间振动会导致粉末发生粒度偏析,需要控制粉末填充过程的振动频率和振动时间。

不同温度对Inconel 718合金微动磨损行为的影响研究

Inconel 718高温合金在航空航天、燃气轮机和核电能源等领域有着广泛运用,为评价其在实际服役工况下的微动磨损性能,采用自主研制的高温微动磨损试验机开展切向微动磨损试验,研究并揭示不同环境温度下材料的微动运行行为、材料损伤响应和磨损机理。结果表明:环境温度对Inconel 718合金微动磨损区域特性及其损伤机理有较大影响。在不同位移幅值下,随着环境温度的升高,微动磨损均向完全滑移的方向转变。微动部分滑移区的磨损机制主要为黏着磨损,且随着温度的升高黏着加剧并在600℃转变为混合区。对于微动混合区或滑移区,其损伤机制由较低温度(室温和200℃)下的疲劳磨损主导转变为较高温度(400和600℃)下的黏着磨损和磨粒磨损主导,同时氧化磨损加剧。此外,环境温度的升高将不同程度加剧材料的微动损伤,其磨损率约为室温工况下的1.76~18.60倍,不同位移幅值下所导致最大磨损率的温度阈值亦不尽相同。研究结果为不同服役温度下Inconel 718合金的抗微动损伤防护提供了理论数据和应用参考。

激光选区熔化成形Inconel 718合金的热处理研究现状

论述了激光选区熔化(SLM)成形Inconel 718合金的成形原理,介绍了SLM成形Inconel 718合金的残余应力、Nb元素偏析等常见缺陷的形成机理,及热等静压、热处理等工艺对其控制的研究现状。重点归纳了固溶+双时效、均匀化+固溶+双时效的热处理工艺对SLM成形Inconel 718合金的缺陷、组织、力学性能、耐腐蚀性能的影响,并对SLM成形Inconel 718合金的热处理工艺、热处理工艺参数、耐腐蚀性等方面的研究进行了展望。

晶界工程调控Inconel 718合金晶界处δ相的析出

目的针对镍基Inconel 718合金在高温服役时强化相转化为晶界δ脆性相从而降低服役性能的问题,通过热机械处理工艺调整晶界脆性相的析出和分布,以提升合金在高温环境下的耐用性和服役性能。方法通过晶界工程(GBE)技术提高样品中低Σ重位点阵(CSL)晶界的比例,调整晶界处δ相的分布规律。利用扫描电子显微镜(SEM)和电子背散射衍射(EBSD)技术分析样品的显微组织演化规律。结果GBE处理使样品中低ΣCSL晶界比例较固溶态的54.34%提高至81.43%,显著优化了晶界特征分布。通过SEM分析了δ相在不同类型晶界处的分布特征:较小的δ相沿平行于Σ3c晶界两侧分布、沿垂直于Σ3i晶界两侧分布,沿Σ9晶界一侧呈针状分布;较大的δ相沿Σ27晶界一侧呈短棒状或层片状分布,在随机晶界处杂乱分布。GBE处理后合金的塑性显著提升,其延伸率从固溶态的21.1%提升至GBE态的26.6%。结论通过晶界工程技术提升了镍基合金中低ΣCSL晶界的比例,调整了晶界处δ相的析出规律,优化了Inconel 718合金的微观结构,从而有望提高其在高温环境下的服役性能。

高温氧化处理前后Inconel 718高温合金摩擦学性能的探究

为了研究高温氧化处理前后Inconel 718高温合金摩擦学性能的差异,对Inconel 718高温合金在1 000℃大气环境下进行高温热处理,并进行25~800℃宽温域摩擦试验.利用扫描电子显微镜、三维轮廓仪、X射线衍射仪对Inconel 718高温合金的表面形貌、磨痕形貌、物相组成和结构进行分析.Inconel 718高温合金经热处理后物相组成发生了明显变化,晶化程度提高.在表面形成了类网状凸起结构,其组成主要为Cr_2Ti_7O_(17)和Cr_2O_3混合相,这是由于高温热处理使Inconel 718高温合金的Ti和Cr元素沿晶界发生了扩散,至表面后与大气中的氧反应,生成Cr_2Ti_7O_(17)和Cr_2O_3混合相.高温氧化后的Inconel 718高温合金摩擦系数和磨损率与未处理时相比有所降低,磨痕形貌有了明显变化,将这种变化归功于类网状凸起结构的减摩抗磨作用和其组成相中Cr_2Ti_7O_(17)的润滑作用.

孔挤压强化对Inconel 718高温合金疲劳性能的影响

为了提高Inconel 718高温合金螺栓连接孔的疲劳抗力,研究了孔挤压强化对Inconel 718高温合金中心孔试样疲劳寿命的影响,并采用扫描电镜、粗糙度仪、X射线应力测量仪及金相显微镜等仪器对孔壁表面完整性进行分析,探讨了孔挤压强化机制。结果表明：1.90%挤压过盈量的中心孔试样的中值疲劳寿命是未强化试样中值疲劳寿命的1.16-4.79倍。与2.85%挤压过盈量的试样相比,1.90%挤压过盈量试样取得了更优的疲劳寿命增益效果。分析发现：经1.90%挤压过盈量的孔挤压强化后,孔壁表面完整性得到了显著改善,孔壁表面粗糙度下降了64.2%,孔边形成了较深的残余压应力场,孔边晶粒组织发生了明显的塑性变形,形成了组织强化层。表面完整性的改善对疲劳寿命的增益具有重要作用。