热喷涂用Inconel718粉末制备及涂层性能研究

利用扫描电镜、金相显微镜、霍尔流速计等手段对氩气雾化法(GA)和等离子旋转电极法(PREP)制备的粒度为45~90μm的Inconel718粉末性能表征,利用扫描电镜及显微硬度表征不同制备工艺下粉末对大气等离子弧喷涂(APS)涂层性能的影响。结果表明:两种雾化方法制备的Inconel718粉末与母合金成分近似,但PREP法制备的Inocnel718粉末气体元素增量较小;在粉末性能上,PREP法制备的Inconel718粉末球形度高,几乎无卫星粉,粉末组织成枝状晶;而GA法制备的Inconel718粉末组织为胞状晶,粉末空心粉较多,微观硬度小于PREP法制备同粒度粉末。对比两种方法制备的涂层,相同工艺条件下,PREP法粉末制备的涂层沉积率高于GA法粉末制备的涂层,并且PREP法粉末制备涂层空隙率低于GA法粉末制备的涂层。

脱气温度对Inconel718粉末热等静压制件性能的影响

原始颗粒边界(PPB)是粉末高温合金的主要缺陷之一,通过脱气试验,研究了采用150℃、350℃、600℃温度进行粉末脱气对于Inconel718粉末热等静压制件的组织和性能的影响。研究结果表明,PPB缺陷会显著降低合金塑性,不同温度脱气对制件的组织和性能有明显影响,采用350℃脱气有利于消除粉末原始颗粒边界缺陷,提高制件的拉伸塑性。

脉冲激光熔覆Inconel 718涂层热行为数值模拟及其对显微组织的影响

目的揭示脉冲激光作用下Inconel 718合金涂层凝固传热行为的演化机制,改善涂层中Nb、Mo元素偏析现象,提升Inconel 718合金熔覆涂层的力学性能,为优化Inconel 718熔覆涂层质量提供理论依据。方法综合考虑物性参数随温度、脉冲激光热源、粉末传输形式,以及凝固过程中相变潜热对涂层凝固热行为的影响,构建脉冲激光熔覆传热模型。基于数值模拟技术和激光熔覆试验,利用VHX-2000电子显微镜对涂层显微组织形态进行分析验证,采用日立SU8010场发式扫描电镜观察分析显微组织和元素偏析情况,并使用显微硬度计测试涂层的硬度值。结果由数值模拟分析结果可知,脉冲激光涂层的冷却速度、温度梯度、凝固速度均大于连续激光涂层,其枝晶生长细密且No、Mo元素呈弥散分布,显微组织自底向顶以平面晶、胞状枝晶、柱状枝晶、等轴枝晶等形式存在,Laves相的体积分数降低至2.93%,在细晶强化和固溶强化作用下,熔覆涂层的平均显微硬度提升至307HV0.1。结论脉冲激光涂层热行为数值模拟分析结果符合Inconel 718涂层组织形态快速凝固变化的规律,数值模型可靠。脉冲激光形成的高冷却速度和高温度梯度,能在一定程度上抑制Inconel 718合金涂层中Nb、Mo元素的偏析,离散并细化γ枝晶组织,降低Laves相的体积分数,显微组织在细晶强化和固溶强化双重作用下,提升涂层的力学性能。

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。

干冰颗粒射流冷却铣削Inconel 718切削性能评价研究

镍基高温合金Inconel 718以高韧性和低导热性等物理力学性能使其成为典型难加工材料,在切削过程中易产生大量切削热,导致刀具磨损加剧并影响加工表面质量。干冰作为一种清洁冷却介质,具有临界温度低、潜热高、升华后无残留等特点,在难加工材料高效准干式切削中具有重要应用潜力。本文将干冰颗粒射流冷却辅助方法应用于Inconel 718切削加工,通过降低切削温度对改善Inconel 718切削性能的有益效果探索该绿色工艺。开展了干冰颗粒射流冷却辅助铣削试验,分析了干冰颗粒冷却工艺对Inconel 718加工过程中铣削温度、铣削力以及加工表面粗糙度的影响规律。结果表明,在干冰颗粒射流冷却条件下,Inconel 718加工过程中铣削温度和铣削力得到显著降低,同时加工表面粗糙度减小,证明干冰颗粒射流冷却辅助加工能够有效改善高温合金材料的切削性能。

超声振动方向对激光定向能沉积Inconel 718性能影响研究

目的面向激光定向能沉积表面改性及再制造发展需求,揭示超声振动方向对激光定向能沉积Inconel 718零件的影响机制,为超声辅助激光定向能沉积高质量成形提供参考。方法开展多方向超声振动辅助激光定向能沉积Inconel 718零件试验,结合原位熔池监测技术,研究沉积方向、搭接方向和扫描方向超声振动对熔池流动行为、微观结构和力学性能的影响。结果不同方向超声振动显著影响了熔池的动态流动行为,其中搭接方向超声振动使熔池润湿面积提高了86.4%,并且形状更为规则,拖尾现象得到改善。微观组织细化方面,扫描方向振动效果最佳,晶体直径细化了46.9%,水平方向的晶体等轴晶转变优于沉积方向,而在沉积方向振动下,Laves相点球化和减少最为明显。相较于对照组的显微硬度210.4HV0.2,添加沉积、搭接和扫描方向超声振动后分别提高到了232.5HV0.2、230.9HV0.2和233.9HV0.2,变化趋势与晶体直径变化趋势基本一致。水平方向超声振动影响下,特别是扫描方向的超声振动在提高材料强度的同时,还在一定程度上保持了材料的延展性;在搭接方向上,超声振动辅助显示出较好的各向异性消除能力,获得了优异的硬度、强度和塑性匹配。结论不同方向超声振动,通过不同方向的惯性力和热流改善了熔池的动态流动性,其中搭接方向超声振动在扩大熔池润湿面积和改善熔池动态形状方面具有优异的综合能力。由于超声强度方向性传播衰减和引起不同的声压梯度,微观组织细化和Laves相的细小点球状消减分别在扫描方向和沉积方向上最为显著,这些变化引起了显微硬度和拉伸性能的相关性提升。超声振动还均衡了材料的力学性能,提高了抗拉强度、屈服强度和延展性,尤其在搭接方向上,显示出较好的各向异性消除能力。可根据具体需求目标,选用相应的超声振动方向或者复合使用,以获得优异的Inconel 718零件熔池流动、微观形貌和力学性能匹配。

Mn含量对Inconel718板材焊接接头组织性能的影响

采用w[Mn]<0.01%、0.24%、0.34%三种不同合金的固溶态Inconel718热轧板材进行直流脉冲电弧焊接,经双级热时效处理后进行室温拉伸实验,研究Mn含量的变化对焊接接头微观组织及时效态力学性能影响规律。结果表明,三种不同Mn含量焊接接头组织中只存在Laves相,没有δ相析出,随着w[Mn]由<0.01%提高至0.34%,焊接接头中Laves相析出体积分数略有增多。经过双级热时效处理后,γ’’开始析出,焊接接头组织中Laves相含量略有减少。与时效态母材拉伸性能相比,焊接接头拉伸强度和伸长率有所降低。且随着Mn含量的增加,时效态焊接接头拉伸性能略有降低,抗拉强度由1250 MPa小幅降低至1178 MPa和1213 MPa,三种不同Mn含量的焊接接头时效态拉伸样品断裂位置皆为焊缝区域,且均为韧性断裂。

Inconel 718合金激光增材修复关键工艺优化

为了进一步优化制备试样的成形质量并延长其服役寿命,首先探究了工艺参数对激光增材修复Inconel 718合金成形质量及力学性能的影响,采用正交设计试验方法进行Inconel 718合金单道沉积层熔覆试验,观察了不同工艺参数下单道熔覆层的表面形貌并测量其宽度和高度,通过极差值与排序结果,分析工艺参数对单道熔覆层几何形状的影响规律,得到3个主要的工艺参数对单道熔覆层形貌的影响排序,从而获得最优的工艺参数组合;之后,利用调控后的工艺参数成功制备出无裂纹、孔隙等缺陷的块状Inconel 718合金试样,选择激光功率为主要探究因素,研究激光功率对熔覆块状Inconel 718合金显微组织、硬度、抗拉强度和断后伸长率的影响,构建工艺参数,显微组织与力学性能间的联系.结果表明,激光功率和粉末供给速率分别为影响熔覆高度和宽度的主要因素;当激光功率为1600 W,扫描速度为12.5 mm/s,送粉速率为8 g/min时,由于温度梯度和冷却速度的影响,熔覆试样的微观组织致密、晶粒细小,枝晶间距适当,具有优异的抗拉强度和断后伸长率.

基于本构模型的Inconel 718材料动态力学响应分析

Inconel 718常用于航空航天、汽车以及医疗设备领域,其高强度和低导热性造成大切削力和高切削温度,是一种典型的难加工材料。本文通过分离式霍普金森压杆试验得到了常温下Inconel 718的真实应力-应变曲线,通过高温硬度试验得到了该材料在不同温度下的热软化率。利用激光热导试验获取不同温度下Inconel 718的比热容和热导率,结合真实应力-应变曲线计算不同应变下的实际变形温度。利用热软化率将变温状态下的真实应力-应变曲线修正为等温状态下的应力-应变曲线,实现了应变和温度的解耦。基于Johnson-Cook和Power-Law本构模型对上述试验结果进行了拟合,结果表明,在低应变率下Power-Low本构模型的拟合精度更高,而在高应变率下Johnson-Cook本构模型的拟合精度更高。最后通过有限元仿真探究了应变、应变率、温度单独作用下,Inconel 718材料力学性能的响应机制,发现应变对应力的影响最大,温度次之,应变率对应力基本没有影响。

Inconel718合金激光熔覆Co/TiN复合涂层摩擦学及氧化行为

为了研究拓展Inconel718合金在高温环境下的应用,使用激光熔覆在其表面制备Co/TiN复合涂层,并结合XRD、SEM和EDS等分析方法,探究其在室温和600℃下的摩擦学行为及800℃下的抗氧化性能。结果表明:制备的涂层硬度相对基体有所提高,约为基体的1.3~1.4倍。另外,涂层中的物相主要为固溶体及金属间化合物。对涂层的摩擦学性能进行测试,当TiN添加量为4%(质量分数,下同)时,涂层的减摩性能最好;而添加量为6%时,涂层的耐磨性最好,磨损率最大可降低90.02%。此外,氧化实验表明:Co/TiN复合涂层具有一定的抗氧化性能,氧化速率为8.7634mg^(2)·cm^(-4)·h^(-1),与基体相差不大。由此说明该复合涂层在保留基体抗氧化性的同时,能够大幅降低高温下的磨损率,且磨损率随着TiN的增加而减小。通过磨损机理分析可知,在600℃下各涂层均发生氧化磨损,其表面氧化膜的产生一定程度上也有助于降低磨损率。

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。

晶粒尺寸对Inconel 718薄板塑性微变形行为的影响:实验与建模

随着航空航天工业的迅速发展,对微型化Inconel 718薄板构件的需求越来越大。然而,晶粒尺寸显著影响金属薄板的塑性变形行为,在很大程度上限制了Inconel 718薄板构件的生产和应用。本文对不同晶粒尺寸的Inconel 718薄板进行了一系列单轴拉伸试验和扫描电镜实验,研究了晶粒尺寸对其塑性变形行为的影响。通过EBSD技术表征了晶粒尺寸、晶粒取向和晶粒平均取向偏差,阐明了晶粒尺寸效应的变形机制。研究结果表明,随着晶粒尺寸的增大,在拉伸应力作用下,晶粒旋转和协调变形机制减弱,取向转变为<232>的晶粒数量逐渐减少,从而导致屈服强度和最大抗拉强度显著降低;此外,随着晶粒尺寸的增大,晶粒内部的塑性变形明显减弱,晶界滑动逐渐成为拉伸过程中主要的变形机制,导致断裂应变减小,韧性断裂特征减弱。本文综合考虑晶粒尺寸和应变量影响,建立了能够应用于Inconel 718薄板的微成形研究的混合材料本构模型。

Improving fatigue properties of normal direction ultrasonic vibration assisted face grinding Inconel 718 by regulating machined surface integrity

Fatigue properties are crucial for critical aero-engine components in extreme serviceenvironments,which are significantly affected by surface integrity(SI)indexes(especially surface topography,residual stressσ_(res),and microhardness)after machining processes.Normal-direction ultrasonic vibration-assisted face grinding(ND-UVAFG)has advantages in improving the machinability of Inconel 718,but there is a competitive relationship between higher compressiveσ_(res)and higher surface roughness R_(a)in affecting fatigue strength.The lack of a quantitative relationship between multiple SI indexes and fatigue strength makes theindeterminacy of a regulatory strategy for improving fatigue properties.In this work,a model of fatigue strength(σ_f)_(sur)considering multiple SI indexes was developed.Then,high-cycle fatigue tests were carried out on Inconel 718 samples with different SI characteristics,and the influence of ND-UVAFG process parameters on SI was analyzed.Based on SI indexes data,the(σ_f)_(sur)distribution in the grinding surface layer for ND-UVAFG Inconel 718 samples was determined using the developed model,and then the fatigue crack initiation(FCI)sites were furtherpredicted.The predicted FCI sites corresponded well with the experimental results,therebyverifying this model.A strategy for improving the fatigue life was proposed in this work,which was to transfer the fatigue source from the machined surface to the bulk material by controlling the SI indexes.Finally,a critical condition of SI indexes that FCI sites appeared on the surface or in bulk material was given by fitting the predicted results.According to the critical condition,an SI field where FCI sites appeared in the bulk material could be obtained.In this field,thefatigue life of Inconel 718 samples could be improved by approximately 140%.

不同形状的表面织构刀具仿真车削Inconel 718合金研究

目的针对目前车削Inconel 718镍基高温合金主要面临的可加工性差和刀具磨损两个问题,提出表面微织构技术进行刀具设计与制备。方法首先建立微织构刀具的理论刀-屑接触长度模型,其次,利用理论刀-屑接触长度模型,建立表面织构刀具切削力的理论模型以及切削热的理论模型;最后,根据理论刀-屑接触长度的变化规律,对微织构刀具的切削力、切削温度进行理论分析,并最终建立有限元仿真模型。结果通过有限元仿真结果表明微织构刀具比硬质合金刀具的车削性能要好。结论与硬质合金刀具的切削力对比,微织构刀具的三向切削力均偏小;且轴向力、径向力在一定范围内波动,主切削力呈增长趋势。与硬质合金刀具的切削温度对比,微织构刀具可以降低切削过程中切削热,且圆形微织构刀具是3种微织构刀具中切削温度最低的;与硬质合金刀具对比,表面微织构可以降低刀具表面磨损问题,减少刀具与切屑的挤压作用和摩擦作用,且不同形状的表面织构产生的磨损深度不同。

磨粒几何排列对Inconel 718磨抛的有限元仿真研究

目的为了提高砂带磨抛镍基合金Inconel 718的表面精度,避免砂带上磨屑堆积等问题,针对砂带表面磨粒的顶端结构以及排列方式进行了分析,通过三维动力学仿真方法,研究磨抛过程中磨削力和磨屑的变化情况。方法开展三种尖端类型磨粒和排列间距、倾角对Inconel 718的磨削机理研究,先分析尖端为点型、线型、面型的磨粒磨削过程,对比不同尖端类型磨粒的切屑形态与磨削力的大小,根据挑选出的点型尖端磨粒建立正四面体磨粒,利用该类型磨粒建立有序与无序的金刚石多磨粒模型,通过有限元软件分析磨粒水平和竖直方向上的间隙大小以及磨粒排布线倾角变化对磨削力和工件表面质量的影响。结果发现点型尖端磨粒产生的切屑呈碎屑状,更容易在多磨粒间排出,不易堵塞砂带,且在磨削过程中所受的磨削力更小;分析发现有序排列的磨粒类型具有很大的优势,能够提高工件表面精度,在工件表面产生大小均匀的沟槽,同时降低砂带受到的磨抛力小;发现磨削力大小会随着排布线倾角的增加呈现先增大后减小趋势。通过与实验对比,发现磨屑的形状会随着水平方向间隙的增大而变化,呈现出由块状至带状到细长条状的变化规律,细长条状的磨屑更易从间隙中排出,从而达到降低磨抛力的效果。结论采用点型尖端磨粒和合适的磨粒排布规律能够有效提高磨抛后的工件表面精度和促进磨屑的排出,为砂带的制造生产提供新的思路。

选区激光熔融Inconel 718的微铣削加工参数优化

选区激光熔融(SLM)Inconel 718成形件广泛应用于航空航天、汽车轨交和石油化工等领域,但成形件表面精度较差,需通过切削提升表面精度。以表面粗糙度为优化目标,开展了以主轴转速、切削深度、每齿进给量为变量的三因素四水平微铣削正交实验,通过极差分析研究了主轴转速、切削深度及每齿进给量对表面粗糙度影响的显著性。结果表明,在n=15000 r/min、ap=60μm、f=1μm/z的加工参数下,SLM成形件的表面粗糙度值最低。优化后的参数组合为SLM Inconel 718的微铣削加工提供了参考。

Cu掺杂对Inconel 718合金Laves相稳定性的影响

采用第一性原理计算与实验相结合的方法,研究了Cu掺杂对Inconel 718合金中Laves相的影响。构建了Laves相Fe_(8)Nb_(4)晶胞的掺杂模型,计算分析了Cu掺杂前后体系的平衡晶格常数、形成热、结合能、电荷差分密度以及弹性常数等。计算结果表明,Cu元素掺杂Laves相后,体系发生晶格畸变,稳定性降低;Cu原子掺杂增加了Laves相的硬度,但对体系塑性的影响比较复杂。实验结果表明,Cu能够固溶到Laves相中,降低Laves相的固溶温度,Cu掺杂Laves相导致体系原子间结合强度的降低是造成Laves相固溶温度降低的本质原因。

大尺寸薄壁Inconel 718环件粉末热等静压近净成形

采用无坩埚感应熔炼超声气体雾化法(Electrode induction melting gas atomization,EIGA)制备了Inconel 718预合金粉末,并对预合金粉末进行了表征。通过预合金粉末热等静压工艺制备了Inconel 718粉末合金坯料并测试力学性能,力学性能接近锻件。采用有限元法进行了Inconel 718环件的热等静压数值模拟,并结合模具设计,实现了粉末高温合金复杂结构件的整体近净成形。

扫描方式及激光重熔对激光选区熔化成形Inconel 718力学性能的影响

采用激光选区熔化技术成形Inconel 718合金,通过对抗拉强度、断后延伸率、硬度和致密度以及组织形貌的探讨,研究了扫描方式及激光重熔的工艺对Inconel 718合金力学性能的影响。结果表明,扫描方式和激光重熔对力学性能都有一定的影响。扫描方式对抗拉强度影响较大,对致密度影响较小,连续型扫描的抗拉强度最高为1059 MPa且高于铸件,不同扫描方式下的断后延伸率均高于21%;激光重熔减少了孔隙缺陷,致密度提高至99%以上,但会引发晶粒粗化和裂纹扩展,重熔前后不同扫描方式样件的抗拉强度差别都小于1%。在高温下,连续型扫描下的断后伸长率提高了15%。