K4169合金激光增材修复组织调控及拉伸性能研究

采用激光增材修复方法对K4169合金基材进行了高质量修复,研究了均匀化处理+固溶处理+双级时效处理(SIDA)对激光增材修复K4169合金显微组织与力学性能的影响规律。研究表明:激光增材修复K4169合金修复情况良好,渗透探伤与X射线探伤均未检测到缺陷产生。试样修复区显微组织为沿沉积方向外延生长的典型的粗大柱状晶组织,细小松针状的Laves相在枝晶间大量析出。经过SIDA热处理后,贯通各个修复层的亚稳柱状枝晶组织转变为细小的等轴晶,脆性Laves相发生固溶,呈现出碎化现象。修复态试样平均抗拉强度为521 MPa,经SIDA处理后可达856 MPa,高于铸件的825 MPa,伸长率由修复态的31.4%下降到20.3%,但仍高于铸件的5%。所有室温拉伸试样断裂位置均在热影响区并且均为韧性断裂。

微晶铸造对K4169合金组织及持久性能的影响

分别采用普通铸造、细晶铸造和微晶铸造工艺制得了晶粒度为ASTM M9~M7级、ASTM M14~M9级和ASTM 3~5级的K4169合金试样,研究了微晶铸造对K4169合金组织及持久性能的影响。研究结果表明,微晶铸造工艺可显著细化晶粒,降低凝固偏析,减少Laves相和大块MC碳化物,增加γ″相体积分数;使合金704℃/448 MPa条件下的持久性能相比于普通铸造和细晶铸造合金分别提高了621%和44%,达到614.9 h;断裂模式从普通铸造K4169的脆性穿晶断裂转变为微晶铸造K4169的韧性沿晶穿晶混合型断裂。微晶铸造工艺引起的晶粒细化和γ″相体积分数的提高,有效强化了K4169合金,而大块MC碳化物及Laves相的减少,减少了潜在的裂纹萌生、扩展位置,二者共同作用提高了K4169合金的持久寿命,并降低了性能数据分散性。微晶铸造工艺可获得良好的综合力学性能,提升K4169合金机匣、壳体、扩压器等整体结构件在700℃以下的服役性能,有良好的应用前景。

热处理工艺对K4169合金微观组织的影响

采用金相显微镜对热处理前后的K4169合金微观组织进行研究。结果表明,K4169经1095℃均匀化+955℃固溶+720℃时效后Laves相体积分数减少,周围生成针状δ相。1120℃热等静压后进一步热处理,Laves相基本消失,无微观疏松,是一种效果很好的热处理工艺。

铸造工艺参数和细化剂对K4169高温合金铸态组织的影响 Ⅰ.晶粒组织及晶粒细化机理

研究了K4169高温合金在各种工艺条件下及向熔体中加入复合细化剂时的晶粒组织,结果表明,降低浇注温度和加入复合细化剂可以明显细化冷凝后基体的晶粒和提高铸件断面等轴晶的比例,在通常的浇注温度1400℃下加入复合细化剂．对合金熔体进行或不进行过热处理时．可使圆柱锭的晶粒分别细化至ASTM1.7级和ASTM 3．2级:断面等轴晶的比例分别达96%和99%以上,当浇注温度为1420℃,加入复合细化剂并对合金熔体进行过热处理时,可使圆柱锭晶粒细化至 ASTM M10．5级,断面等轴晶的比例达90%以上,提出了晶粒细化的机理并对晶粒细化后断面等轴晶比例增大的现象进行了分析。

K4169合金铸件的常温疲劳断裂行为

通过在某K4169合金精密大型熔模铸件本体典型承力结构处取样而进行常温疲劳试验,并结合疲劳断口的分析与凝固过程的温度场模拟,对其疲劳断裂机制进行探讨.结果表明,不同结构试样的疲劳寿命差异显著,其疲劳失效与微观疏松缺陷及其分布有关.早期的疲劳失效试样中存在大量的疏松缺陷,而疲劳性能较好的试样的疏松缺陷很少.当疏松缺陷较少时,疲劳裂纹主要沿晶间Laves相和碳化物扩展;当疏松缺陷较多时,裂纹主要经疏松缺陷而加速扩展并导致试样的早期失效.

热等静压对K4169高温合金组织与性能的影响

对K4169高温合金铸件后处理工艺进行研究,通过拉伸试验、持久和疲劳测试,并结合光学显微镜、扫描电镜和透射电镜分析,研究热等静压处理对合金组织和综合力学性能的影响规律。结果表明:1165℃、4 h、140 MPa热等静压处理可有效消除铸态组织中的显微疏松和Laves相;与直接进行标准热处理相比,对合金进行热等静压处理后再进行固溶、时效处理,合金组织中γ″相数量增加,尺寸和分布更加均匀。由于显微组织的改善,合金室温和650℃抗拉强度和塑性均明显提高,650℃、620 MPa持久寿命由27 h延长至93h,低周疲劳性能显著改善。

铸造工艺参数和细化剂对K4169高温合金铸态组织的影响 II.枝晶组织及晶粒球化机理

铸造工艺参数和细化剂对K4169合金枝晶组织、元素偏析、夹杂及缩松有明显的影响,浇注温度越低,一次枝晶主轴长度和二次枝晶臂距就越小,在同一浇注温度下,化学法细晶试样的一次枝晶主轴长度较普通铸造试样的短,但二者的二次枝晶臂距没有明显差别,晶粒细化后,合金中主要元素Fe,Cr,Nb,Mo和Ti的偏析减轻,晶粒的形态由树枝晶向细晶组织中的粒状晶转变,对晶粒球化现象做了合理解释,微量细化剂的加入不会在铸件中形成夹杂,不会改变合金的相组成,在高的浇注温度下,细化剂使晶粒细化的同时,也使铸件中的缩松大大减少。

K4169合金下支座的精铸工艺

采用无余量精密铸造技术与数值模拟相结合,研制生产了K4169合金下支座,并对铸件的铸造工艺进行了系统的研究。结果表明:采用冷蜡块二次成形技术,可以保证蜡模的尺寸精度及稳定性;根据模拟结果,优化了浇注系统,完善了浇注工艺,在型壳温度为T0℃,浇注温度为T_(-30)℃,获得了冶金质量合格的铸件,并且铸件合格率能够得到保证。

浇注温度和细化剂对K4169高温合金微观组织的影响

研究了降低浇注温度或加入细化剂后 ,K4 16 9合金晶粒细化的微观组织、夹杂及缩松等的变化。发现同样加或不加细化剂条件下 ,浇注温度越低 ,一次枝晶主轴长度和二次枝晶臂距越小。而同一浇注温度下 ,化学法细晶试样一次枝晶主轴长度较普通试样的短 ,而二者的二次枝晶臂距无明显差别。晶粒细化后 ,晶粒形态由普通铸造组织中的树枝晶向细晶组织中的粒状晶转变 ,且合金中主要元素的偏析减轻 ,这均有利于提高细晶铸件机械性能。MC型碳化物和Laves相的尺寸、数量和形貌在晶粒细化前后变化不大。铸件中加入微量细化剂不形成夹杂 ,不改变合金相组成。此外 ,加细化剂不仅可使晶粒细化 。

Al和Co对K4169合金950℃高温氧化行为的影响

利用热重分析法、X射线衍射、扫描电镜和能谱分析研究了Al和Co含量对K4169高温合金950℃高温氧化行为的影响,结果表明:合金氧化动力学符合抛物线规律;添加Al和Co的合金氧化产物颗粒比原始成分合金的细小;Al含量的增加增强了合金的高温抗氧化能力,而Co含量的增加降低了合金的高温抗氧化性能。当Al含量为1.45 wt%、Co含量为0.3 wt%时,合金的高温抗氧化性能最好,而原始成分合金的高温抗氧化性能最差。不同Al、Co含量K4169合金氧化膜都分为3层:外层主要是疏松的Cr2O3和TiO2的混合层,还含有少量的NiO和NiCr2O4尖晶石相;中间层是Cr2O3保护层;内氧化物层是Al2O3。

浇注温度对K4169高温合金晶粒组织影响的计算机模拟

利用Fortran语言编程,采用有限差分法分别解用热焓法处理结晶潜热的圆柱坐标系一维不稳定热传导方程,模拟了K4169高温合金圆柱锭某一横截面凝固过程中温度的变化,它正确地反映了在不同铸造工艺条件下合金铸件横截面上温度的变化规律。通过固相分数,将合金铸件凝固温度场模拟及其连续形核模型、枝晶尖端生长的动力学模型相耦合,计算了不同浇注温度下K4169高温合金圆柱锭凝固过程中晶粒组织的特征值,包括晶粒密度和平均晶粒尺寸,并参考二维CellularAutomaton方法,实现了在计算机屏幕上晶粒形成的动态显示,模拟结果和实验结果吻合较好。

Co对K4169合金铸态组织和性能的影响

采用手工电弧炉熔炼制备了不同Co含量的K4169高温合金,显微组织和力学性能的研究表明:Co强烈促进Laves相的形成,缩小合金枝晶间偏析区;随着Co含量从0.5%增加到0.8%,Laves相由小块状变为筛网状且数量明显增多;合金中强化相γ′相的数量也随Co含量的增加而增多。Co元素的加入使K4169铸态合金的室温压缩强度有所提高,合金的硬度稍有降低,但总体来说Co元素的增加对铸态合金的室温压缩强度和硬度的影响较小。

K4169高温合金凝固晶粒组织的计算机模拟

采用热焓法处理结晶潜热的二维不稳定热传导方程模拟凝固温度场 ,利用连续形核模型和枝晶尖端生长的动力学模型 ,即KGT模型模拟K4169高温合金晶粒组织的形成 ,将凝固温度场的模拟和晶粒组织形成的模拟相耦合 ,计算了该合金的凝固晶粒组织特征值 ,包括晶粒密度和平均晶粒尺寸 ,并在计算机上实现了凝固晶粒组织的可视化。与试验结果进行比较后表明 。

Zr在K4169合金凝固过程中作用的研究

利用手工电弧炉熔炼制备了Zr质量分数为0.00%～0.07%的K4169合金,采用金相显微镜、扫描电镜、能谱仪以及差热分析对合金的凝固组织、元素偏析及熔点进行了研究。结果表明,Zr的加入促进了合金中Nb、Mo、Ti等元素的偏析,使铸态合金晶界析出的Laves相和碳化物数量增多,但随着Zr含量的增加Laves相又有所减少。Zr的加入提高了Laves相初熔温度,降低了合金的熔点。另外,微量Zr对K4169合金的凝固组织不利。

K4169合金涡壳体熔模铸造工艺试验

涡壳体是某大型运载火箭的重要部件。由于其形状复杂,壁厚差较大,铸造凝固过程易出现疏松缩孔等缺陷,铸造难度较大。设计采用了可溶性型芯形成涡形流道型腔的方案以及冷蜡块二次成形技术,制备出了涡壳体整体蜡模;采用硅溶胶陶瓷型壳,设计合理的浇注系统,确定合理的浇注工艺参数,成功浇注出了符合技术要求的涡壳体铸件。

镍基高温合金K4169的高温相变研究

利用共聚焦激光扫描显微镜原位观察了镍基高温合金K4169的相变过程.结果表明:850℃保温120s后,γ′相发生溶解,γ″相在晶体内部析出,Laves相开始往基体中溶解;加热到950℃保温120s时,γ″相继续析出,Laves相已经大部分溶解到基体中,晶界显露;1 150℃保温200s后,γ″相开始溶解,Laves相已经完全溶解,晶界更加明显;1 286℃时,晶界发生粗化;1 300℃保温200s后晶界粗化加剧.

合金化元素对K4169高温合金组织稳定性影响的研究现状

综述了合金元素对K4169高温合金高温条件下组织稳定性影响的研究现状。对比了主要合金元素在合金中的作用,详细分析了沉淀强化元素、固溶强化元素、微合金化元素及杂质元素对合金组织稳定性的影响规律,并总结了目前合金化的研究成果和存在的问题。

Co对K4169合金凝固组织及元素偏析的影响

为研究Co对K4169合金凝固过程的影响,利用手工电弧炉熔炼制备了Co质量分数为0.5%～0.8%的合金,采用扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)和电子探针(EPMA)对合金的凝固组织及元素偏析进行了研究.SEM观察结果表明,Co能强烈促进Laves相的形成,缩小合金枝晶间偏析区;随着Co质量分数从0.5%增加到0.8%,Laves相由小块状变为筛网状且数量明显增多.经SEM+EDS能谱和EPMA面扫描分析表明,Co能降低Nb在基体中的质量浓度,同时也能降低Fe和Cr在Laves相中的质量浓度而提高Nb、Mo、Ti在Laves相中的质量浓度,因而促进Laves相的析出.分析认为,过多增加Co质量分数对改善合金凝固组织的作用不大.

细晶铸造K4169合金微观组织对力学性能的影响

比较细晶铸造工艺和普通铸造工艺获得的K4169合金的组织和力学性能,借助于光学显微镜、扫描电镜、能谱仪等手段,分析两种工艺所获得的合金的金相组织、断口形貌以及组织中相成分,并探究两种工艺获得的合金组织对力学性能的影响。结果表明:用热控法获得的K4169细晶合金,细晶铸造组织为细小均匀的等轴晶,且组织中Laves相和δ相的数量比普通铸造获得的合金少很多,碳化物数量略多;细晶铸造K4169合金在不同温度下,其拉伸强度、屈服强度比普通铸造要高,塑性稍低;持久强度却有很大的提高,是普通铸造的3.5倍左右,细晶铸造K4169合金具有良好的强度和韧性等综合力学性能。

大厚度K4169高温合金电子束焊接工艺

通过对大厚度K4169合金真空电子束焊接工艺试验研究,优化了工艺参数,分析了焊缝表面成形及焊接接头组织、力学性能。结果表明:K4169合金具有良好的电子束焊接性能,焊缝区形成层状组织,时效处理后焊缝抗拉强度远远高于母材的抗拉强度。