Al_(2)O_(3)型壳与DZ125高温合金的润湿性及界面反应研究

DZ125合金因其优异的性能和较低的成本被广泛用于航空发动机的涡轮叶片。航空发动机涡轮叶片通常由熔模铸造技术制备,而陶瓷型壳是熔模铸造技术的基础和保障。陶瓷型壳与高温合金的润湿性及界面反应是高温合金涡轮叶片表面质量及尺寸精度的重要影响因素。以电熔白刚玉粉、EC95粉和电熔白刚玉砂为原料,以1030C硅溶胶为粘结剂,设计了涡轮叶片定向凝固成型用陶瓷型壳浆料配方,并制备了陶瓷型壳。在研究Al_(2)O_(3)型壳的微观结构和表面粗糙度的基础之上,重点研究了Al_(2)O_(3)型壳与DZ125高温合金的润湿性及界面反应。结果表明,制备的Al_(2)O_(3)型壳具有光滑平整的表面,表面粗糙度达1.973μm;Al_(2)O_(3)型壳对DZ125高温合金具有良好的惰性,两者的润湿角为119.54°;DZ125合金表面发生了轻微的化学粘砂,粘砂层厚度仅约0.5μm,化学反应产物主要为合金元素Ta、Cr、W和Ti的氧化物。Al_(2)O_(3)型壳与DZ125高温合金的界面处化学粘砂被有效抑制的主要原因为Al_(2)O_(3)型壳的光滑平整表面及其对DZ125高温合金展现出良好的不润湿性。

DZ125镍基合金表面热防护涂层研究进展

介绍了DZ125镍基合金表面热防护涂层的最新研究进展,主要包括扩散涂层、物理气相沉积涂层、喷涂涂层和激光熔覆涂层技术。综述了近年发展的不同热防护涂层的制备方法、高温防护机理及失效机制,展望了DZ125合金表面热防护涂层的发展趋势和应用前景。

完全氧化DZ125的双向反射特性实验研究

作为燃气轮机的核心部件,涡轮叶片长期在上千度的高温下工作,为了保证叶片安全可靠地运行,需要对其温度进行实时的监测。辐射测温是目前涡轮叶片非接触式测温的主流方法,其测温精度与叶片材料反射特性关系密切,如何预测不同方向反射能量的大小,减小反射辐射对测温结果的影响是目前研究的难点。为了预测叶片反射能量大小,提高辐射测温的准确性,对涡轮叶片常见材料——完全氧化DZ125的双向反射分布函数(BRDF)进行研究。采用对比法作为实验测量的方法,先分析了BRDF对比法测量原理及数据处理方法,之后自主搭建了试验台,在温度分别为25,900和1100℃,波长分别为1060,1550和1908 nm的条件下,控制入射天顶角及反射天顶角在0°~60°范围变化,方位角在0°~180°范围变化,测量计算出了多组BRDF值,分析了各种因素对完全氧化DZ125的BRDF的影响。最后采用Modified Phong模型对BRDF测量值进行了拟合,并与实验测量结果进行了对比,得到了较好的结果。研究结果表明,温度、波长对完全氧化DZ125的BRDF影响较小,在涡轮叶片工作的温度范围变化不大,辐射波长变化不大时,可忽略二者对BRDF的影响。而入射天顶角、反射天顶角与方位角对BRDF的影响很大,入射天顶角与反射天顶角大小越相近,方位角越接近180°,测量探头所处位置与镜面反射方向就越接近,试样的镜面反射特性就越显著,BRDF就越大;反之,当探头远离镜面反射方向,漫反射占据主导,BRDF将呈现快速的衰减。实验结果显示完全氧化DZ125具有很强的镜面反射特性。Modified Phong模型拟合得到的结果,能够较好地反映出完全氧化DZ125的双向反射特性。这一模型简单可靠,适用于后期采用蒙特卡罗方法进行数值模拟研究,以预测完全氧化DZ125材料的反射能量分布,为后续开展涡轮叶片辐射测温的研究提供理论基础。

高转速-高温下DZ125叶片组织演化的几何结构相关性

本文以高转速-高温耦合环境下服役337.72 h、408.12 h和661.38 h的DZ125涡轮空心叶片为研究对象,利用微观组织分析手段,研究了枝晶形貌、γ’强化相、碳化物和γ/γ’共晶组织的演化规律。结果表明:与恒温单轴应力不同,在高转速-高温耦合作用下,DZ125服役叶片枝晶干和枝晶间微观组织的不均匀性并未随时间的延长而减弱,反而更加明显。其中温度最高的前缘位置,γ’相大量溶解和粗化,导致服役叶片的微观组织演化表现出明显的几何结构相关性和区域的不均匀性。因此,仅用枝晶干γ’相的尺寸和体积分数很难全面描述叶片服役过程中的组织演变规律,有必要建立基于叶片几何结构的宏观形貌(如枝晶形貌)和微观形貌(如γ’相)相耦合的组织演变分析方法。

DZ125合金表面Cr-Al-Y涂层抗高温氧化性能及摩擦性能

目的提高DZ125合金的抗高温氧化性能和耐磨性。方法采用包埋渗技术在DZ125合金表面制备Cr-Al-Y涂层,分析Cr-Al-Y涂层经高温氧化后的组织结构和相组成,对比研究涂层与基体的摩擦行为。结果Cr-Al-Y涂层具有多层组织结构,经高温氧化100 h后,涂层的平均质量损失量仅为0.85 mg/cm^(2)。由于在高温氧化过程中Cr-Al-Y涂层形成了连续致密的Al_(2)O_(3)和Cr_(2)O_(3)氧化膜,随着氧化温度的升高,涂层表面的氧化速率增大,导致氧化产物剥落,并出现表面缺陷。Cr-Al-Y涂层的摩擦因数明显低于DZ125基体的摩擦因数,DZ125合金的摩擦因数约为0.45,Cr-Al-Y涂层的摩擦因数约为0.2。在摩擦过程中,DZ125合金发生了犁削磨损和磨粒磨损,涂层表面发生了磨粒磨损。结论该涂层具有优异的抗高温氧化性能,连续致密的Al_(2)O_(3)氧化膜和Cr_(2)O_(3)氧化膜能够有效阻挡氧化性气氛与基体直接接触,从而降低氧化速率。Cr-Al-Y涂层的摩擦因数明显低于DZ125基体的摩擦因数,在磨损过程中涂层表面的氧化膜能有效阻挡GGr15球与基体发生直接接触式对磨,并且形成的Al_(2)O_(3)和Cr_(2)O_(3)起到了润滑相的作用,从而减小了摩擦因数,降低了磨损率,提高了合金的耐磨性。

吹砂条件对DZ125合金再结晶和蠕变性能的影响

在不同吹砂条件下对DZ125合金进行吹砂处理,研究了吹砂强度、吹砂介质以及热处理工艺对合金再结晶及蠕变性能的影响。结果表明,在相同的热处理条件及吹砂介质下,合金的再结晶层厚度随吹砂强度的增加而加深。当吹砂介质和吹砂强度相同时,标准热处理态合金的再结晶层最深,其次是固溶态合金,而均匀化处理合金的再结晶层厚度最小。在0.4MPa/1 min条件下,吹湿砂样品的再结晶层最薄,吹干砂样品次之,而吹河砂样品再结晶层最厚。DZ125合金在980℃/235 MPa下蠕变测试结果表明,再结晶的试样的蠕变寿命明显低于未发生再结晶的标准热处理态合金,而不同吹砂强度下DZ125合金的蠕变寿命相当,说明当再结晶层超过某一厚度值后,其在合金中的损伤作用相当。此外,再结晶对壁厚2 mm到4 mm试样的蠕变性能并无明显的影响。

DZ125合金表面Ce-Y改性铝化物渗层的热冲击性能研究

采用扩散渗法于950℃下扩散渗2 h后在DZ125镍基合金表面制备了Al-Ce-Y渗层,研究了Al-Ce-Y渗层试样和基体合金的热冲击性能,分析了热冲击裂纹的形态结构。结果表明:在实验条件下,DZ125合金基体和Al-Ce-Y渗层试样出现可视裂纹的热冲击次数分别为195、184次。该过程中渗层结构保持完整,无剥落现象,表明Al-Ce-Y渗层可满足DZ125合金对抗热冲击性能的服役要求。

DZ125定向凝固高温合金的研究

研究了可用作先进航空发动机定向薄壁空心叶片的 DZ1 2 5合金 ,该合金具有高的综合性能 ,其力学性能水平高于国内外广泛应用的同类商用典型定向合金 ,同时具有良好的定向铸造工艺性能和高的薄壁力学性能。合金已用于铸造某航空发动机的具有复杂内腔的薄壁定向叶片 ,并已通过台架试车 ,投入小批量生产。

DZ125高温合金定向凝固微观组织的CA法模拟

采用伪二元相图法对DZ125多元合金进行了简化,并用二维Cellular Automaton(CA)法模拟了合金定向凝固微观组织.通过采用不均匀连续形核模型,在考虑到枝晶生长动力学的基础上,模拟了不同抽拉速度下合金定向凝固组织形貌、枝晶界面形态以及一次枝晶间距的变化,说明树枝晶竞争生长中存在"分枝"与"淹没"的机制;并且随凝固速率的增加,合金凝固组织从分枝较少的胞状树枝晶向分枝发达的树枝晶转变.模拟的一次枝晶间距从凝固速率为50μm/s时的132μm减少到凝固速率为500μm/s时的69μm.模拟结果与实验结果吻合较好.

SiO_2-ZrO_2陶瓷型芯与DZ125,DD5和DD6三种铸造高温合金的界面反应

采用热压注工艺制备以钙稳定氧化锆为矿化剂的SiO2-ZrO2陶瓷型芯试板,继而通过定向凝固分别在1510℃和1530℃制备SiO2-ZrO2型芯与DZ125,DD5和DD6三种高温合金的界面反应空心试板,将空心试板于相同高度处横向剖开,对获得的合金/型芯界面反应试样的微观形貌进行SEM和EDS分析。结果表明,SiO2-ZrO2陶瓷型芯在1500℃以上的高温化学稳定性差,与DZ125,DD5和DD6合金均发生不同程度的界面化学反应,反应产物类型与合金成分密切相关。对于Hf含量较高的DZ125合金来说,合金中Hf与SiO2-ZrO2型芯中的SiO2反应生成HfO2,并在合金表面富集,阻止了合金中Al与型芯的反应。对于Hf含量较低的DD5,DD6合金来说,合金与SiO2-ZrO2型芯界面反应的产物是Al2O3,其由合金中Al与SiO2反应生成,而矿化剂钙稳定氧化锆对这一界面反应有促进作用。

DZ125带小孔构件低循环/保载疲劳试验与分析

进行了定向结晶合金DZ125带小孔构件在高温下的低循环/保载疲劳试验.此构件试验用来部分模拟航空发动机气膜冷却的空心涡轮转子叶片,试验方案根据空心涡轮转子叶片的几何特征和所承受的温度及载荷状况来设计.介绍了试验方案和试验结果分析,包括寿命分析、试验裂纹扩展规律分析和金相分析.结果表明小孔应力集中和保载是构件破坏的主要原因,孔边电火花加工特征对裂纹萌生起到决定性影响.

相位角对定向合金DZ125热/机械疲劳行为与寿命影响的试验研究

对DZ125定向凝固铸造镍基高温合金进行了同相位、反相位和-135°相位的550℃～1000℃热/机械疲劳试验研究。试验结果表明:同相位寿命曲线与反相位寿命曲线有一交点,-135°相位的热/机械疲劳寿命比同相位热/机械疲劳寿命与反相位热/机械疲劳寿命长。试样的微观断口分析显示了在热/机械疲劳试验中同时存在疲劳、蠕变和氧化损伤。对同相位、反相位和-135°相位热/机械疲劳循环应力响应行为进行了研究。用Manson-Coffin方程、微裂纹扩展模型和拉伸迟滞能(Ostergren)寿命预测模型对DZ125合金的热/机械疲劳寿命进行了预测(分散带为2倍左右)。

DZ125高温合金熔体超温处理定向凝固组织的演化规律

在保持凝固界面温度梯度恒定的条件下,研究了DZ125高温合金熔体超温处理定向凝固组织的演化规律。实验结果表明,熔体超温处理对DZ125合金的定向凝固组织有着显著的影响。一次枝晶间距和二次枝晶间距均随着熔体超温处理温度的升高,呈现出先减小后增大的变化规律,并在超温处理温度为1 650℃处出现最小值。合适的熔体超温处理可以起到与提高凝固速率相同的作用,有效细化合金凝固组织,从而有利于降低合金元素偏析程度,减少甚至消除凝固缺陷,缩短热处理均匀化时间,提高合金的力学性能。

DZ125光滑试样与小孔构件低循环／保载疲劳寿命建模

依据定向结晶合金DZ125光滑试样的低循环/保载疲劳试验寿命数据,提出一种预测定向结晶合金低循环/保载疲劳寿命的模型.此寿命模型可以同时考虑材料的晶向、平均应力、应变范围、应变比、最大应力对寿命的影响.接着研究DZ125合金光滑试样低循环/保载疲劳寿命与小孔构件低循环/保载疲劳寿命的关系,提出一种从光滑试样低循环/保载疲劳寿命数据预测小孔构件低循环/保载疲劳寿命的方法.应用本文提出的寿命模型,预测DZ125带小孔构件的低循环/保载疲劳寿命,并将预测寿命与小孔构件试验寿命对比,误差在2倍分散带左右.

不同保载时间作用下的定向凝固合金DZ125的高温低循环疲劳试验研究

研究了定向凝固合金DZ125 850℃时不同保载时间作用下的低循环疲劳行为。进行了拉伸保载时间分别为1 s,60 s,120 s和240 s的试验,并进行了循环应力-应变分析、应变响应分析、疲劳寿命分析以及微观断口分析,结果表明,保载时间对低循环疲劳力学行为有明显影响,随着保载时间的增加疲劳寿命逐渐减小,但保载时间超过一定范围之后疲劳寿命趋于稳定,而且随保载时间的增加蠕变损伤逐渐起主导作用。

热处理对激光金属成形DZ125L高温合金组织及硬度的影响

研究激光金属成形DZ125L高温合金的组织,其形成的非平衡组织致密,一次枝晶间距约5μm;生成的过饱和固溶体抑制γ′相析出,且晶界析出点状不连续MC碳化物。这无法满足高温合金直接使用要求,需进行必要热处理。因此研究了5种热处理状态下的组织和显微硬度,结果表明均匀化和固溶处理十分必要,但需严格控制时间;时效处理时间可以适当减少。经过热处理试样的硬度比未经过过热处理试样硬度低,主要原因是激光金属成形组织细密,晶界析出大量强化相MC碳化物。

DZ125高温合金定向凝固中的枝晶竞争生长及溶质分布模拟

采用元胞自动机法与有限差分(CA-FD)耦合计算,模拟了恒温度梯度定向凝固下DZ125高温合金枝晶竞争生长过程以及溶质分布。结果表明,模型能够动态演示DZ125高温合金微观组织演化的细节。在抽拉速度为10μm/s时,糊状区枝晶干中心从枝晶底部到尖端存在1%/mm的溶质梯度,其界面前沿液相溶质浓度从44.16%衰减为合金原始溶质浓度38.68%;而在抽拉速度为100μm/s时,糊状区枝晶干中心从枝晶底部到尖端溶质梯度很小,其界面处的液相溶质浓度为51.54%,比10μm/s时的值大。在抽拉速度为100μm/s时定向凝固枝晶间液相溶质浓度从底部到顶部逐渐减小,减小的幅度为20%/mm,其值与理论计算结果基本符合。

定向合金DZ125热/机械疲劳寿命预测模型评估

分别用微裂纹扩展模型、Manson-Coffin方程和拉伸迟滞能模型对DZ125定向凝固铸造镍基高温合金的热/机械疲劳寿命进行预测。预测结果发现:三种模型都能较好对DZ125合金的热/机械疲劳寿命进行预测(分散带为2倍左右)。通过分散带和标准差的定量比较发现:对于同相位、-135°相位和同相位带保持时间的热/机械疲劳,拉伸迟滞能寿命预测模型的预测结果比微裂纹扩展模型和Manson-Coffin方程的预测结果好;而对于反相位热/机械疲劳,微裂纹扩展模型的预测结果比拉伸迟滞能寿命预测模型和Manson-Coffin方程的预测结果好。

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。

DZ125高温合金净化剂的制备及其过冷机理研究

采用自制净化剂和循环过热相结合的办法,研究了不同净化剂对DZ125高温合金的净化效果,探讨了复合熔盐的净化机理。实验结果表明:采用B2O3玻璃净化剂仅能使合金获得58K的过冷度;而采用复合熔盐净化剂和循环过热相结合净化的方法,则可使DZ125高温合金获得180K的深过冷。