超细晶挤压态FGH4113A高温合金等温锻造过程中的本构特性及组织演变

锻造是先进航空发动机粉末涡轮盘制备的关键成型工艺。合金的化学成分和挤压工艺很大程度上决定了挤压态合金的组织。新型镍基粉末高温合金FGH4113A(WZ-A3)热挤压之后晶粒度达到13级以上,挤压态合金呈现γ+γ'双相组织。细小均匀的双相组织为更为广阔的等温锻造工艺窗口提供可能。本研究采用超细晶挤压态合金FGH4113A进行温度分别为1000、1040、1080和1120℃,应变速率为0.001、0.01和0.1 s^(-1)的Gleeble热压缩试验,压缩量为60%。结果表明合金试样在所有压缩条件下均未发生开裂,体现超细晶挤压态合金FGH4113A有广阔的等温锻造工艺窗口。合金的平均激活能仅为515.375 kJ/mol。低应变速率下(0.001 s^(-1)),试样真应力-真应变曲线呈现出稳态流变特性;高应变速率下(0.1 s^(-1)),试样的真应力-真应变曲线呈现出加工硬化到再结晶软化的变化。γ'相对变形温度敏感,高的变形温度会引发γ'相的溶解而导致再结晶晶粒的长大。此外,超细晶挤压态合金FGH4113A在等温锻造过程中主要再结晶方式为不连续动态再结晶。本研究为超细晶挤压态合金FGH4113A的锻造工艺制定提供了实验依据。

喷丸强度对FGH4113A高温合金微观组织的影响及定量表征

镍基粉末高温合金涡轮盘长期在高温高应力条件下服役,对其综合力学性能有着严苛的要求,而表面形貌与微观组织对盘件性能有着至关重要的影响,通常需进行表面喷丸强化处理。基于此,本工作系统性地研究了不同喷丸强度下FGH4113A合金的表面和亚表层微观组织及变形情况,并探究了两者的定量关系。结果表明:经过喷丸处理后,合金亚表面产生位错塞积,诱发晶粒内形成变形孪晶,并且变形孪晶数量随喷丸强度的增大而增大。另外,喷丸强化引入的位错使变形层存在大量的小角晶界,从而发生晶粒细化提升了合金硬化效果。随着喷丸强度的增大,合金表面粗糙度、表面残余压应力、硬化层厚度以及表面显微硬度等特征呈现出不断增大的趋势。这些研究结果可为实际生产过程中喷丸强化参数的调控提供一定的数据支撑。

FGH4096粉末高温合金保载低周疲劳性能研究

对FGH4096粉末高温合金在700℃下进行了总应变范围控制的低周疲劳试验和拉伸应变保载低周疲劳试验,研究了保载时间对滞回环特征、应力松弛、循环应力响应和疲劳寿命的影响及其产生作用的损伤机理。结果表明,保载时间的引入可导致FGH4096合金疲劳寿命降低,随保载时间的延长,疲劳寿命降低速率逐渐减小;在总应变范围0.9%下,不同保载时间下FGH96合金均表现出循环软化特征;在拉伸应变保持期间发生应力松弛现象,拉伸应变保持初始阶段,应力急剧下降,之后随保持时间延长而趋于平缓。微观组织分析表明,低周疲劳断口和保载低周疲劳断口均由疲劳源区、疲劳裂纹扩展区和瞬断区组成,疲劳源区均位于试样表面,扫描电镜下观察两种试样断口均未发现明显的蠕变断裂特征。

铣削参数对镍基高温合金FGH4113A加工表面完整性的影响

通过铣削试验分别研究了主轴转速(300,500,650,800,1200 r·min^(-1))、铣削进给量(0.030,0.045,0.060,0.075,0.090 mm·r^(-1))和单道次铣削深度(0.20,0.35,0.50,0.65,0.80 mm)对FGH4113A镍基高温合金加工表面完整性的影响。结果表明:随着铣削进给量或单道次铣削深度的增大,加工表面的缺陷增多,表面粗糙度和硬度增大,表面残余应力逐渐由压应力转变成拉应力;随着主轴转速的增大,加工表面缺陷减少,表面粗糙度和硬度降低,残余压应力减小。在铣削速度超过800 r·min^(-1)、单道次铣削深度小于0.35 mm、进给量控制在0.045 mm·r^(-1)以下条件下,加工表面质量较好,表面粗糙度Ra在0.40μm左右,残余应力为压应力,且无明显硬化层。

真空粉末锻造成型FGH95合金的流变行为和组织演变

利用Gleeble-3800热模拟试验机对真空粉末锻造成型FGH95合金的高温变形行为进行研究,在变形温度为1090~1170℃、应变速率为0.01~10 s^(−1)条件下进行热压缩实验,得到相应条件下流变应力-应变曲线,采用EBSD分析变形条件对真空粉末锻造成型FGH95合金微观组织演变的影响。在考虑温度、应变速率、应变量对合金流变行为的影响后,选择Arrhenius方程建立真空粉末锻造成型FGH95合金的本构模型,得出真空粉末锻造成型FGH95合金的材料参数,拟合出材料参数和应变量之间的关系并对得出的本构方程进行验证。结果表明:采用真空粉末锻造成形工艺制备的FGH95合金,在热变形过程中的流变应力随着温度的升高而减小,随着应变速率的升高而升高。变形后组织内的再结晶晶粒的尺寸随着温度的升高而减小,随着应变速率的降低而增大。经过计算得出变形激活能Q为685.7787 kJ·mol^(−1),真空粉末锻造成型FGH95合金流变应力的预测值和实验值的误差为6.33%,预测值和实验值吻合较好。

FGH98粉末高温合金瞬时液相扩散焊接头组织和性能

采用Ni-Cr-Mo-B中间层对FGH98高温合金进行瞬时液相扩散焊,研究保温时间对接头显微组织、力学性能和断裂行为的影响.结果表明:非等温凝固区中的共晶相为富Ni硼化物γ-Ni固溶体,等温凝固区主要有γ-Ni固溶体,扩散影响区中含有多种形貌的硼化物.随着保温时间的延长,非等温凝固区的共晶相逐渐减少并消失,扩散影响区的宽度增加,接头的剪切强度也逐渐增加.增加保温时间,硼元素扩散距离增加,导致扩散影响区中硼化物析出相密度降低.保温时间为120 min时接头完全等温凝固,剪切强度达到724 MPa,接头断裂出现在扩散影响区中,断裂模式为韧性断裂.

高温氧化对FGH96高温合金粉末表面状态的影响

通过模拟FGH96高温合金粉末在热等静压固结阶段的高温加热过程,利用多种表面分析方法,研究高温氧化对粉末表面状态的影响。结果表明,近热等静压加热温度条件下的高温氧化过程显著改变了FGH96高温合金粉末的表面形貌、表面元素分布和析出相组成。随加热温度的升高和保温时间的延长,胞状晶为主、树枝晶为辅的表面凝固组织被氧化物/碳化物层所覆盖,高温氧化过程促进粉末基体内部的Ni、Ti、Zr、Nb、Al和C原子逐渐扩散到粉末表面,粉末表面预先存在的氧化物(ZrO_(2))为MC型碳化物((Ti,Nb)C)的形核提供了结构条件。控制粉末表面氧化物的形成可以有效限制合金中形成原始颗粒边界缺陷。

粉末高温合金FGH4095和FGH4096的抗高温氧化性能

为研究舰载航空发动机关键部件的氧化腐蚀防护,开展镍基粉末高温合金FGH4095和FGH4096在750~1100℃空气环境中的高温氧化实验,采用静态增重法测定两种合金在不同温度下的氧化动力学曲线,利用金相显微镜、扫描电子显微镜、电子探针分析仪和X射线衍射仪对合金试样表面与截面氧化层的形貌、结构以及组成进行观察和分析。结果表明:FGH4095和FGH4096两种合金在750~900℃时属于完全抗氧化级,在1000~1100℃时属于抗氧化级,而两种合金的实际服役温度在900℃以下,所以在其工作温度范围内抗氧化性能优异。在750~900℃时,两种合金的抗氧化性能相近,无明显差别,氧化膜均未发生剥落。高温氧化后,FGH4095和FGH4096的氧化膜分为两层,内层都是以Al_(2)O_(3)为主,FGH4095的外层由Cr_(2)O_(3),Nb_(2)O_(5)和TiO_(2)组成,而FGH4096的外层仅为Cr_(2)O_(3)和TiO_(2)。在1100℃时,两种合金都发生明显氧化,大量氧化皮破裂,由于合金成分不同,此温度下两种合金的抗氧化性能差别较大,相比之下FGH4095合金具有更好的抗氧化性能。

FGH101高温合金惯性摩擦焊接头的显微组织与力学性能

采用惯性摩擦焊工艺实现了FGH101高温合金的连接,研究了FGH101高温合金惯性摩擦焊接头的显微组织及力学性能。结果表明:焊接接头成形良好,几乎无飞边;接头焊核区(WNZ)为细小等轴晶组织且基本没有γ’强化相,热力影响区(TMAZ)中粗细晶共存且形貌不规则;焊接接头显微硬度呈典型“M”型分布,焊核区硬度最高但其中心区域存在硬度下降现象,经过热处理后,显微硬度提升不明显;焊接接头室温抗拉强度约为1600 MPa,可达到母材的98.4%,屈服强度约为1178 MPa,可达到母材的98.6%;750℃高温抗拉强度约为1208 MPa,可达到母材的96%,屈服强度约为1037 MPa,可达到母材的96%。

FGH96镍基粉末高温合金的组织和性能

采用等离子旋转电极法制备FGH96 合金粉末,研究了用两种不同成形工艺制备的合金的组织和性能,同时对FGH96粉末高温合金的持久断裂行为和裂纹扩展速率进行了分析和研究。

等离子旋转电极雾化FGH95高温合金粉末颗粒凝固组织特征

对等离子旋转电极雾化(PREP)FGH95高温合金粉末颗粒凝固组织特征进行研究,并用数值分析方法计算了FGH95合金粉末凝固过程中冷却速率与粉末粒度之间的关系,结果表明:粉末颗粒表面凝固组织主要是树枝晶和胞状长大晶,随着粉末颗粒尺寸的减小,内部凝固组织由树枝晶为主逐渐转变为以胞状晶及微晶组织为主,冷却速率与粉末粒度之间的关系为T=2.267×109d-1.649,由此得出FGH95合金二次枝晶臂距与冷却速率之间的关系为S=36.2T-0.24.

PREP工艺参数对FGH95高温合金粉末特性的影响

研究了采用等离子旋转电极工艺制取FGH95高温合金粉末时各主要工艺参数对粉末平均粒度及其分布的影响。粉末的平均粒度主要取决于棒料的转速,且随棒料转速的增加而减小。粉末粒度的分布则与棒料转速、等离子弧电流强度以及等离子枪与棒料端部的距离等工艺参数有关。提高棒料转速、减小等离子弧电流强度或等离子枪与棒料端部的距离,均可使粉末粒度的分布范围变窄。

等离子旋转电极雾化FGH95高温合金粉末的预热处理

在不同热处理制度下对等离子旋转电极雾化 (PREP)FGH95高温合金粉末颗粒进行预热处理 ,并对热处理粉末颗粒微观组织、碳化物析出相及γ′相的变化规律进行研究。结果表明 :随着预热处理温度升高 ,树枝晶组织逐渐消失 ,γ′相由圆形逐渐转变为方形 ,粉末颗粒中的MC′型亚稳碳化物发生分解和转变 ,析出稳定的MC ,M2 3C6及M6C型碳化物。M2 3 C6碳化物的析出温度为 95 0℃ ,M2 3 C6与M6C碳化物的相互转变温度为 10 0 0～ 10 5 0℃ ,M2 3 C6和M6C的溶解温度为 110 0℃。

FGH95镍基粉末高温合金的研究和展望

粉末高温合金由于自身特有的组织和性能特点成为先进航空发动机涡轮盘和涡轮挡环的优选材料。总结我国20世纪80年代初开始研制的第一代镍基粉末高温合金FGH95在制粉工艺、粉处理工艺、成形工艺和热处理工艺等方面的研究工作。着重介绍FGH95合金生产中所采用的等离子旋转电极制粉工艺(Plasma rotating electrode process,PREP),筛分和静电分离去除夹杂工艺,直接热等静压(Hot isostatic pressing,HIP)和热等静压+包套锻造(HIP+Forging)成形工艺,以及固熔+盐淬热处理工艺。展望氩气雾化制粉(Argon atomizatio,AA)和直接热等静压成形在FGH95合金低成本制造上的发展优势和高固溶缓冷热处理工艺对提高合金抗疲劳裂纹扩展能力的影响,提出下一步的研究方向。

FGH95高温合金的静态再结晶机制

对热等静压FGH95合金高温挤压形变后的试样进行静态再结晶处理,讨论了其再结晶形核机制及γ′相对再结晶过程的影响。结果表明:合金在γ′相几乎完全溶解温度以上再结晶时,形核以应变诱发晶界迁移机制进行,而在γ′相大量存在的温度范围内则是以亚晶粗化形核机制进行;γ′相的分解速率对再结晶速率有重要影响,随再结晶温度的升高,γ′相分解速率加快,再结晶激活能减小,再结晶速率加快,γ′相分解后以同步或不同步方式重新析出。

粉末冶金高温合金FGH96的热加工图及热压缩变形过程的开裂行为

采用Gleeble3180D型热模拟试验机对热挤压态FGH96合金在变形温度1020-1140℃，应变速率O．001-1．0s^-1进行热压缩实验，分析真应力一真应变曲线，绘制热加工图。并针对热挤压态粉末冶金高温合金FGH96在热压缩温度低于1080℃时的开裂现象，利用热模拟压缩实验方法，确定在变形温度为1050℃、应变速率为0．001-1．0s^-1的热压缩变形过程中的开裂临界应变量，观察变形后试样的裂纹形貌和显微组织，并利用有限元分析方法对热压缩变形过程进行模拟。结果表明：试样中部位置受拉应力作用沿着变形方向产生鼓形变形，当达到临界应变量后，产生呈沿晶断裂的宏观裂纹，并且随着应变速率的减小，裂纹产生的临界应变量逐渐减小；在低应变速率条件下，在宏观裂纹产生之前，试样内部晶粒之间出现了微观开裂的现象，并造成应力下降。

FGH97粉末冶金高温合金热处理工艺和组织性能的研究

对采用两种制度热处理的FGH97镍基高温合金进行了组织性能对比。结果表明,固溶淬火和时效温度、保温时间及冷却方式直接影响该合金中γ′强化相、不同类型碳化物等析出相的形貌、尺寸、数量和分布。两种制度热处理后的试样中γ′相和碳化物的不同匹配度,决定其各自具备良好的综合力学性能。制度Ⅰ试样的拉伸和持久塑性和750℃持久性能高于制度Ⅱ;制度Ⅱ试样的拉伸强度、650℃持久强度以及抗蠕变性和低周疲劳性能高于制度Ⅰ。

FGH96高温合金中γ'相完全溶解温度的研究

采用相图、差热分析、热处理3种不同的方法综合研究FGH96粉末高温合金中强化相γ'的完全溶解温度。从Thermo-calc软件模拟相图可知,γ'相在950～1115℃时大量溶解,完全溶解的温度为1115℃;采用差热分析法确定强化相的完全溶解温度在1120～1137℃;采用不同温度热处理后金相组织的变化来确定γ'相的完全溶解温度,发现γ'相在1100℃以下大量存在,在1100～1110℃迅速减少,在1120℃完全消失。综合3种方法,可确定平衡状态下γ'相的完全溶解温度在1110～1120℃。

热处理工艺对热挤压变形粉末高温合金FGH95组织与性能的影响

对比研究了FGH95合金在不同热加工工艺和热处理制度下合金的组织及γ′的分布,用光学显微镜、扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)观察了不同热处理制度处理后合金的组织及时效后γ′的中心暗场相,测试了室温(20℃)和高温(650℃)材料的拉伸性能,并对高温瞬时断裂区断口进行了对比分析.结果表明:相同热处理工艺,HIP温度越高,时效析出的γ′相尺寸越大;不同热处理制度均能够改变γ′的分布;盐浴冷却明显增大中等尺寸γ′相数量,显著提高合金高温塑性.

时效制度对粉末冶金高温合金FGH95组织和性能的影响

研究了淬火处理的FGH95合金在不同时效制度下的显微组织和力学性能,并对室温U型缺口试样冲击断口进行了对比分析。结果表明:相同固溶淬火处理的FGH95合金,经过单级时效(760℃×16h/AC)和两级时效(870℃×1.5h/AC+650℃×24h/AC)处理后晶粒度相同,γ′相的形貌、尺寸和分布也无明显差异。二者的硬度、室温冲击韧度、室温和650℃拉伸性能相当;单级时效后650℃/1035MPa的光滑持久寿命略高于两级时效,但持久塑性低于两级时效。FGH95合金可以采用单级时效代替传统的两级时效处理。