航空发动机GH3230高温合金层板结构TLP扩散焊接制备及力学性能研究

随着更高推重比需求的不断提高,航空发动机热端部件不仅需要耐高温材料,更需要冷却效率更高的结构形式,本文采用自主研制的KNiCr–5中间层在1200℃保温4 h的工艺条件下TLP扩散焊接制备了GH3230高温合金多孔层板冷却结构,测试了层板结构模拟件的焊接质量和接头力学性能。超声检测结果表明,层板模拟件所有柱形结构(扰流柱)与底板(冲击板)焊接完好,未发现任何缺陷。焊缝形成了均匀的固溶体组织,无任何化合物相、裂纹和孔洞缺陷存在。室温/950℃高温拉伸测试结果表明,层板板柱结构模拟件和GH3230高温合金棒材对接结构全部断裂在GH3230高温合金基体,焊缝强度均明显高于GH3230高温合金。高温拉伸断裂试件的延伸率高达52%,薄板焊缝90°三点弯曲后无开裂,微观观察无裂纹等缺陷,表明了焊缝具有优异塑性。优异的焊接质量和性能保证了焊缝结构承受高温载荷时能达到GH3230高温合金基体的传热和承力性能,避免了焊缝成为整个层板结构薄弱环节。

铣削高温合金GH3039刀具寿命预测及磨损机理

为揭示高温合金GH3039铣削参数对刀具寿命的影响规律,采用正交试验法对其进行铣削试验,运用多元回归法建立刀具寿命预测模型,分析铣削参数对刀具寿命的影响规律,通过观测铣刀后刀面的磨损情况,探究不同主轴转速下铣刀的磨损机理。结果表明:主轴转速对刀具寿命的影响程度最大,最小为轴向切深;当主轴转速为750 r/min时,铣刀磨损区域主要以黏结磨损和磨粒磨损为主;当铣削速度为950 r/min时,氧化磨损与扩散磨损开始增强;当铣削速度为1 180 r/min时,磨粒磨损与黏结磨损开始减弱甚至消失,氧化磨损与扩散磨损占据主导地位。

GH907高温合金表面电弧离子镀NiCoCrAlY/AlSiY复合涂层的高温抗氧化性能研究

为提高GH907高温合金在750℃下高温抗氧化性能。在GH907合金表面采用电弧离子镀技术(AIP)制备NiCoCrAlY/AlSiY复合涂层。系统开展复合涂层的高温抗氧化行为和机理研究,利用XRD、SEM和EDS等微尺度分析表征方法,全面解析氧化过程中物相的结构特征、氧化产物成分及表/截面形貌特征。结果试验表明,750℃氧化500 h后,GH907高温合金氧化层(FeO,Fe_(2)O_(3))萌生大量裂纹,氧化层发生大面积剥落。基体呈迅速氧化增重趋势,500 h质量增重值为22.38 mg/cm^(2)。相比之下,NiCoCrAlY/AlSiY复合涂层在氧化实验中,由于形成连续且致密的Al2O3屏障层,有效抑制氧气内扩散,延缓GH907高温合金发生氧化反应的影响。氧化80 h质量增重为6.37 mg/cm^(2),随后质量增重率趋于稳定,500 h复合涂层质量增重值仅有7.68 mg/cm^(2)。结论由此表明,NiCoCrAlY/AlSiY复合涂层可以显著提高GH907高温合金高温抗氧化性能。

基于GA-BP和PSO-BP神经网络的SLM GH3625高温合金残余应力预测研究

采用PSO-BP和GA-BP混合算法的人工神经网络模型预测了选区激光熔化成形GH3625高温合金的残余应力。通过响应面法为实验设计生成样本集,以激光功率、扫描速度和扫描间距作为模型的输入层,以残余应力作为模型的输出层进行预测优化。采用相关系数R^(2)和平均绝对相对误差e_(AARE)评价指标对预测模型进行了验证和对比分析。结果表明:BP、 GA-BP和PSO-BP神经网络模型均能够较好地预测不同工艺参数下GH3625高温合金的残余应力,且通过算法优化后的BP神经网络具有更高的预测精度。其中GA-BP神经网络对选区激光熔化成形GH3625高温合金残余应力的预测精度最高,模型性能更优越,其相关系数R^(2)和相对平均绝对误差e_(AARE)分别为0.909和2.06%。

激光冲击与热处理复合处理对GH4169合金抗高温氧化性能的影响

为评估GH4169合金在服役工况中的抗高温氧化行为,对激光冲击强化(laser shock peening,LSP)、热处理和激光冲击强化与热处理复合工艺下GH4169合金进行抗高温氧化性能测试.使用透射电子显微镜(TEM)对各处理下GH4169合金的微观形貌进行分析,并通过X射线衍射(XRD)表征其氧化物组成,采用扫描电子显微镜(SEM)和X射线能谱仪(EDS)对高温氧化后试样的表面形貌、截面形貌以及氧化产物成分进行分析.研究结果表明,激光冲击诱导的位错和晶粒细化加速了前期氧化膜的形成,同时热处理作用下产生的析出相抑制了针状尖晶石的产生,使得复合工艺下的氧化膜更加连续致密,最终结合氧化动力学曲线揭示了经激光冲击强化和热处理复合处理后氧化膜的生长机制.

GH4169高温合金晶粒长大动力学模型

采用OM、SEM等分析方法对GH4169高温合金在960~1080℃下的晶粒长大行为进行研究,获得不同加热温度和保温时间下合金的平均晶粒尺寸,并观察到δ相的钉扎效应对晶粒长大的阻碍。考虑δ相的钉扎效应建立了GH4169晶粒长大模型,并对晶粒的长大情况进行预测。对比发现,预测值与实验值吻合较好,模型具有较好的准确性。研究结果可为GH4169高温合金的热处理工艺的制定和实际生产应用提供理论依据。

GH4738高温合金高通量双锥试样设计及晶粒组织演变

在高温合金领域,双锥试样被广泛用于高通量研究热加工工艺与组织关系。针对GH4738高温合金,本文通过有限元分析,设计了一种在压缩过程中具有较小等效应变速率波动的双锥试样,并研究了其对晶粒尺寸的影响及其温度依赖性,进而研究了在变形温度为1000~1160℃、应变速率为2 s^(-1)和14 s^(-1)、工程应变为30%、50%、70%的条件下合金的晶粒演变。结果表明:等效应变速率的波动会影响变形后合金的晶粒尺寸,并且具有变形温度依赖性。所设计的双锥试样有利于精确研究等效应变与晶粒组织关系。热压缩实验表明,合金的软化以非连续动态再结晶为主,热加工窗口为变形温度1030~1080℃、应变速率14 s^(-1)、工程应变50%~70%。

GH907高温合金在中性盐雾环境下的初期腐蚀行为研究

GH907高温合金在飞机、船舶等行业得到了广泛的应用。GH907高温合金在海洋环境中使用时会导致腐蚀的发生,因此对其腐蚀行为进行研究是必要的。使用中性盐雾试验方法,研究了GH907高温合金材料在模拟海洋环境中的腐蚀行为。通过扫描电镜、X射线能谱仪(EDS)和3D激光共聚焦等方法,观察GH907高温合金腐蚀后的二维、三维形貌并进行了成分分析;通过动电位扫描和电化学阻抗谱的电化学测试,分析其电化学腐蚀行为。结果表明:GH907材料在中性盐雾腐蚀过程中会发生钝化行为,腐蚀后的GH907腐蚀电流密度增加,耐蚀性下降,腐蚀产物和钝化膜对材料的保护能力有限。腐蚀类型以点蚀为主,EDS结果显示点蚀坑内腐蚀产物以Fe的氧化物为主,Ni、Co元素含量很低。腐蚀过程中同时存在电荷转移与扩散行为,腐蚀体系为活化控制体系。

GH5188合金板材高温拉伸变形流动行为与本构方程研究

目的研究GH5188合金板材高温拉伸变形流动行为,为高温合金板材高温成形工艺的制定和优化提供指导。方法基于GH5188合金板材高温拉伸试验,分析了变形工艺参数对GH5188合金板材高温拉伸变形时真应力、应变速率敏感性指数和应变硬化指数的影响规律,建立了本构模型对其流动行为进行描述和预测。结果GH5188合金板材高温拉伸变形流动行为受应变硬化、流动软化和应变速率硬化的共同影响,其变形过程分为弹性变形、加工硬化、稳态流动和断裂4个阶段。随变形温度的升高和应变速率的降低,真应力减小。变形温度、应变速率和真应变对GH5188合金板材的应变速率敏感性指数和应变硬化指数具有显著影响。基于Johnson-Cook和Hensel-Spittel模型,建立了考虑应变硬化效应、流动软化效应和应变速率硬化效应耦合影响的GH5188合金板材高温拉伸变形本构模型(JC-HS模型),采用该模型预测的真应力与试验值的平均相对误差为6.02%。结论建立的JC-HS模型能够较好地描述和预测GH5188合金板材的高温拉伸流动行为。

GH4169G高温合金车削切削力与切削温度有限元仿真研究

为研究GH4169G高温合金车削用量及刀具几何特性对切削力和切削温度的影响规律,基于ABAQUS有限元仿真软件,通过依次改变切削深度、切削速度和刀具几何角度,获得不同参数组合下切削力和切削温度的变化规律,进一步揭示车削参数和刀具几何角度对GH4169G高温合金切削过程中热—力耦合作用的影响机理,从而对切削工艺参数和刀具特性进行优选。

高速铣削GH4169镍基高温合金切削温度的研究

为了研究GH4169镍基高温合金在高速铣削过程中不同切削用量对切削温度的影响,采用正交试验法对其进行切削仿真,并对铣削加工仿真结果进行分析,得到切削用量与切削温度的关系。为验证仿真结果的合理性和准确性,进行了GH4169镍基高温合金高速铣削加工试验,对比分析高速铣削试验和高速铣削加工仿真的结果,验证GH4169镍基高温合金高速铣削仿真模型的准确合理。在已确定的加工仿真模型基础上进行单因素试验,研究不同切削用量对切削温度的影响。结果表明:在切削速度、每齿进给量和背吃刀量均增大的条件下,铣削温度都逐渐上升,但增长速率呈下降趋势。

基于压痕法对高温合金GH3536单轴拉伸性能的评估研究

镍基高温合金GH3536因其优异的抗氧化和耐腐蚀性能及良好的蠕变强度,被广泛应用于高温气冷堆、石油化工设备、各类能源转换装置等能源化工行业的高温核心设备。以锻造态和增材制造GH3536为研究对象,探究了将王-张拟合系数模型用于球压头压入试验,从而实现GH3536单轴拉伸性能反演的可行性。研究结果表明,2种不同制造工艺GH3536的屈服强度与常规拉伸测试结果具有较好的一致性,而抗拉强度的预测则存在一定误差,但误差范围与结果稳定性同样能够基本满足工程应用需求。该研究为高温受监部件材质劣化的在线评定提供了重要技术手段,有助于保障相关能源化工行业高温核心设备的服役安全。

热处理对激光选区熔化GH3536合金高温拉伸性能的影响

利用激光选区熔化(selective laser melting,SLM)技术可近净成形GH3536合金复杂零件,其高温力学性能是能否安全服役的重要考量指标,本工作研究热处理对SLM成形GH3536合金的微观组织与高温拉伸性能的影响。在1225℃下进行1 h热处理以探究组织性能调控机制,测试GH3536增材试样沉积态与热处理态高温下的拉伸性能,采用扫描电镜研究热处理前后增材GH3536试样的微观组织演变。结果表明:热处理可有效消除晶粒内部的胞状亚晶结构,使位错滑移能力显著增强,其在室温、650、815℃环境下断裂伸长率分别提高75%、92%、683%;另外,柱状晶纵横比的减小使热处理试样的各向异性显著降低;断口分析表明随着拉伸环境温度的增加,热处理试样的断裂模式由沿晶断裂转变为混合断裂。

使用遗传算法增强GH4169高温合金BP-ANN本构模型的预测稳定性

为了更好地描述GH4169高温合金的塑性流动行为,利用Gleeble 1500热模拟试验机进行了不同变形温度和应变速率下的GH4169高温合金等温热压缩试验。基于真实应力-应变数据建立了GH4169高温合金反向传播人工神经网络(BP-ANN)本构模型,并进一步考察了本构模型的预测稳定性与模型参数之间的关系。预测结果发现,GH4169高温合金BP-ANN本构模型的输出对模型参数具有很强的依赖性。针对这一问题,本研究采用遗传算法(GA)优化BP-ANN本构模型的方法,建立GA-BP-ANN集成本构模型。优化后的结果表明,GH4169高温合金的GA-BP-ANN集成本构模型大幅增强了BP-ANN本构模型的预测稳定性,提升了BP-ANN本构模型的泛化能力。

板厚对激光冲击GH625高温合金残余应力的影响

为了研究板厚对激光冲击GH625高温合金残余应力的影响,一方面,采用激光冲击处理技术对2 mm GH625板进行强化处理,借助X射线应力测试仪获得表面残余应力分布;另一方面,利用ABAQUS有限元仿真软件对厚度分别为2 mm、3 mm、4 mm和5 mm的GH625板进行激光冲击数值模拟。采用实验测量和数值模拟相结合的方法,对GH625高温合金的Johnson-Cook本构方程进行优化。结果表明:当应变率影响系数C=0.005 21时,激光冲击GH625表面残余应力模拟结果与试验结果相吻合;随着GH625板材厚度的增加,表面残余压应力大小和残余压应力分布深度均随之增大;板材背面也存在残余压应力,其大小随板材厚度的增大而减小。

摆动激光焊接GH4169镍基高温合金焊缝成形性能研究

进行了GH4169镍基高温合金的摆动激光焊接工艺试验,研究了不同摆动参数对焊缝气孔率、宏观成形、微观组织和显微硬度的影响。结果表明:采用小振幅、低频率的摆动工艺有利于气孔的抑制,而大振幅对气孔抑制的作用更为显著。摆动引入后,熔深降低,尤其是随着振幅的增加。2.5 mm振幅下,匙孔焊接模式消失,焊缝生长方向发生变化。相较于未摆动,不同摆动参数下焊缝晶粒尺寸未发生明显变化,但摆动焊缝的二次枝晶有一定程度细化,这导致焊缝平均硬度出现微弱升高。

热等静压对激光选区熔化增材制造GH3230高温合金微裂纹与组织的影响

为揭示GH3230高温合金的激光选区熔化增材成形性,研究了热等静压对激光选区熔化增材制造GH3230高温合金微裂纹与组织及拉伸性能的影响。结果表明,激光选区熔化增材制造GH3230高温合金沉积态存在凝固微裂纹,该裂纹在XOY截面呈现龟裂特征,在ZOY截面呈现线状;热等静压之后,激光选区熔化增材制造GH3230高温合金的一部分微裂纹可以消除,另一部分较长的微裂纹难以消除。激光选区熔化增材制造GH3230高温合金沉积态组织基本为片状固溶体组织,在晶界附近存在少量析出碳化物;热等静压之后,在晶界附近析出大量的MoWCr碳化物,而晶内析出MoWCr碳化物数量多且尺寸较小。凝固微裂纹导致激光选区熔化增材制造GH3230高温合金沉积态XY方向抗拉强度及延伸率降低,而热等静压能减小大尺寸微裂纹,消除小尺寸微裂纹及气孔,可大幅提高XY方向的抗拉强度和延伸率。

GH4169高温合金超声辅助切削试验研究

GH4169高温合金常温和高温条件下硬度及强度较高,常规金属切削的热软化效应不明显,同时由于材料热导率低,加工硬化明显,采用传统数控加工方式存在刀具易磨损、加工效率低等问题。为实现高温合金的优质高效加工,开展不同加工工艺参数下的常规铣削及超声铣削力学响应对比实验,分析同一工况下常规铣削和超声辅助铣削的刀具磨损,揭示了不同加工参数对铣削力的影响规律及侧铣过程中超声辅助铣削较常规铣削的优势。

GH536高温合金钻削力试验研究

对GH536高温合金进行钻削试验,设计单因素试验研究钻头直径d、主轴转速n和进给量f在钻削过程中对钻削力和扭矩的影响趋势。试验结果表明:钻削力和扭矩与钻头直径和进给量成正相关,与主轴转速成负相关。通过三水平三因素正交试验进一步分析各个钻削参数对钻削力和扭矩的影响程度,利用极差分析法得出对钻削力和扭矩影响程度最大因素的是钻头直径,其次是主轴转速,最后是进给量。将正交试验数据代入指数形式的钻削力和扭矩的经验公式中,得到修正后的经验公式中的参数值,从而得到新的GH536高温合金钻削力经验公式。通过比较试验数值和公式计算数值发现,钻削力和扭矩的平均误差均在10%左右,因此建立的钻削力经验公式对实际钻削GH536高温合金具有参考意义。

高温均匀化对GH4710镍基合金组织及性能的影响

对真空感应+真空自耗双联工艺冶炼的GH4710镍基合金铸锭进行两段式高温均匀化热处理,采用金相显微镜观察了热处理前后铸锭的微观组织和晶粒尺寸,利用扫描电镜、电子探针对热处理前后铸锭中合金元素的分布及含量进行测定,计算了铸锭不同部位各种元素的偏析指数。研究结果表明,采取(1 150±10)℃×30 h-(1 200±10)℃×50 h的二段式热处理工艺,有效消除了GH4710镍基合金铸锭组织中的共晶相,降低了铸锭成分偏析,显著提高锻造棒材的力学性能。在980℃,120 N/mm^(2)的试验条件下,持久性能达到了126、134 h,较铸锭未均匀化生产的53、74 h,提高了一倍左右,持久伸长率也提高了50%以上。