浇注温度与型壳温度对K4648镍基高温合金组织和性能的影响

针对某型号燃气涡轮导向器用K4648镍基高温合金室温冲击韧性无法达到标准要求(冲击韧性大于20 J·cm^(-2))的问题,在不同的浇注温度与型壳温度(1 490℃/1 050℃,1 490℃/950℃,1 460℃/1 050℃)下制备了K4648镍基高温合金,并进行了固溶+标准热处理,研究了浇注温度与型壳温度对合金显微组织和冲击性能的影响,获得了优化的工艺参数。结果表明:当型壳温度或浇注温度较低时,K4648镍基高温合金的晶粒尺寸和二次枝晶间距较小,块状初生α-Cr相含量较少、尺寸较小,合金的冲击韧性较大,冲击断口处次生裂纹数量较少;优化工艺参数为型壳温度950℃、浇注温度1 490℃,此工艺参数下制备的K4648镍基高温合金的冲击韧性最大,为21.4 J·cm^(-2),满足标准要求。

镍基高温合金GH4169端铣加工表面形貌研究

研究镍基高温合金GH4169端铣加工表面形貌影响因素,对控制GH4169的加工表面粗糙度和提高GH4169加工质量有着重要意义。基于单因素端铣试验,探明了铣削速度、铣削深度、每齿进给量及铣削宽度对表面粗糙度和三维表面形貌的影响机理及规律。研究表明,对表面粗糙度的影响程度由大到小依次为每齿进给量、铣削宽度、铣削速度、铣削深度;加工表面呈现出纵横相间的纹理,且对表面纹理深度的影响程度由大到小依次为铣削速度、铣削深度、每齿进给量、铣削宽度;结合加工表面粗糙度与三维表面形貌选取最佳加工参数:铣削速度V=100 m/min,铣削深度t=0.1 mm,每齿进给量f_(z)=0.025 mm/z,铣削宽度a_(w)=5 mm。

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。

GH4169镍基高温合金射流电解加工微坑阵列试验研究

表面微坑阵列在机械密封、摩擦磨损、表面润滑、传热散热等方面有巨大作用。为了能在GH4169镍基高温合金上射流电解加工微坑阵列,通过测试合金在不同溶液中的极化曲线,优选了射流电解加工合金的电解液,并在此基础上设计试验,探究了加工电压、射流速度对射流电解加工微坑的影响规律,并通过优选工艺参数加工出微坑阵列。最后,以质量分数10%的NaNO_(3)溶液为电解液,以加工电压25 V、射流速度10 m/s加工出平均深径比为0.376、深径比标准偏差为0.004372的加工精度高、一致性好的微坑阵列结构。

二次固溶加时效对K4648镍基高温合金组织与性能的影响

采用扫描电镜、能谱仪和拉伸试验等研究了二次固溶加时效对K4648镍基高温合金组织与性能的影响。结果表明:二次固溶加时效处理后,合金中析出了尺寸更大的针状α相,M_(23)C_(6)碳化物的尺寸变小;随着二次固溶温度的升高,针状α相逐渐粗化,M_(23)C_(6)数量增多且大部分在晶界处连续分布。经过二次固溶加时效处理,合金抗拉强度显著提高,塑性略有下降。K4648合金的最佳二次固溶温度为1200℃,此时合金的抗拉强度达到810 MPa,相比一次固溶加时效提高了约39%,伸长率略微下降,从17.2%降为15.3%。

镍基高温合金K4169中夹杂物的特征及形成机理

采用真空感应熔炼法冶炼出镍基合金K4169,通过电解萃取结合原位SEM分析法研究夹杂物的物相组成、尺寸形貌及成分,并分析夹杂物的分布、来源及形成机理。结果表明:K4169合金中的单相夹杂物主要为氧化物、碳化物和氮化物(以TiN、Al2O3、SiO2、TiO2、SiC等为主),复合夹杂物主要有硅铝酸盐(Al2O3-SiO2、Al2O3-MgO)、钛的碳、氮、氧化物(TiC-TiN、TiC-TiO2-TiN)及金属复合氧化物夹杂物(Mo-Ni-Fe-O、Ni-Nb-O)。TiN多分布在Laves相周围;SiC多分布在棒材边缘;其余各类氧化物多见于棒材心部缩孔内部及周围。硅铝酸盐复合夹杂物由硅铝氧化物的单相夹杂碰撞形成;金属复合氧化物夹杂于凝固后期的偏析液中氧化析出;碳氮化物复合夹杂物的形成机理有两类:一类为自发形核(TiC-TiN、TiC-TiO2-TiN),另一类为以MgO-Al2O3为核心异质形核(TiN)。

不同电子束焊接参数对GH4169和IC10镍基高温合金组织和力学性能的影响

采用电子束焊接对GH4169和IC10异种镍基高温合金进行了焊接实验,利用金相显微镜、扫描电镜等对电子束焊接接头进行组织观察,并分析了镍基高温合金的力学性能。结果表明,通过电子束焊接可以得到无明显焊接缺陷的接头;焊缝区由枝状晶和等轴晶构成,且熔合区附近富集大量柱状晶,垂直于熔合线朝着焊缝中心生长;焊接后,GH4169和IC10母材中主要第二相为δ-Ni_(3)Nb相;100 kV加速电压焊接后,焊缝区平均显微硬度为235 HV,150 kV加速电压焊接后焊缝区平均显微硬度为225 HV,2个参数下焊缝区平均显微硬度均高于两端母材区,两端母材越靠近焊缝,由于热影响区的存在,硬度都有提高趋势。

固溶参数对镍基高温合金K439B显微组织及力学性能的影响

采用金相显微镜和场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)研究不同固溶温度(1140,1160℃及1180℃)及固溶冷却方式(AC,FC-900℃+AC,FC)等热处理参数对K439B合金显微组织及力学性能的影响。结果表明:提高固溶温度后合金的光学组织及γ′相形貌接近,晶界宽度略有增加。当以AC方式冷却时,γ′相均匀分布,尺寸为50.7 nm;以FC-900℃+AC方式冷却时,枝晶间及晶界附近析出250~510 nm的粗大γ′相,γ′相呈双态形貌;以FC方式冷却时,粗大γ′相的含量增多,且晶界颗粒状M23C6碳化物含量有所提高。降低冷却速率后K439B合金的815℃/379 MPa持久寿命得到较大改善,不同固溶参数对热处理K439B合金的室温拉伸性能影响较小。

K439B镍基铸造高温合金800℃长期时效过程中碳化物的演变规律

K439B镍基合金是一种承温能力达800℃的新型铸造高温材料,在发动机机匣类复杂结构件有重要应用前景。作为该合金中的主要晶界强化相,碳化物在合金长期时效过程中的演化规律尚不清楚。以K439B合金为对象,在800℃下对该合金进行了6000~10000 h的等温时效实验,研究了其长期时效过程中碳化物的演变规律和转变机理。结果表明,K439B合金的组织稳定性优异。经过长期时效后,晶界和枝晶间组织中仍保留大部分标准热处理态时的MC型碳化物,仅有部分MC型碳化物分解为M_(23)C_(6)型碳化物和γ′相,未出现η相和σ相等TCP有害相。晶界M_(23)C_(6)型碳化物表现出两种不同的粗化行为,一是M_(23)C_(6)型碳化物逐渐宽化,在长期时效后宽度均一,碳化物排列整齐;二是在某些晶界部位,粗化后的M_(23)C_(6)型碳化物呈现不规则的形状,甚至向晶粒内部延伸。晶界M_(23)C_(6)型碳化物并未出现沿整个晶界的完全相连情况,其主要是γ′相颗粒将两个相邻的M_(23)C_(6)型碳化物分隔所致。

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。

镍基高温合金的热机械疲劳寿命预测模型研究

针对发动机热端部件常用材料镍基高温合金GH4169进行了200~450℃及400~650℃条件下的同相位热机械疲劳(TMF)试验,考虑TMF条件下多晶材料在弹性阶段产生的微观损伤应变能,提出一种适用于多晶材料的TMF寿命预测模型,并结合试验数据确定模型参数;采用GH4169、IN718、DD8三种高温合金对该模型的TMF寿命预测能力进行评估,结果表明,提出的寿命模型预测精度高于TMF寿命预测常用的Manson-Coffin模型和Ostergren模型。

镍基单晶高温合金近服役环境性能研究进展

航空发动机与燃气轮机作为国之重器,对保障国防安全和能源安全具有重要意义。随着发动机效率的不断提升,涡轮进气口温度不断提高。先进叶片往往采用高代次单晶高温合金材料制备,具有薄壁、多孔复杂冷却结构,且表面涂覆先进涂层,因而先进单晶叶片结构越来越精细复杂,服役过程中叶片不同部位温度场、应力场分布变化更大,其损伤机制无法通过传统棒状试样的变形损伤机制完全体现。基于先进单晶叶片的结构特点及服役环境特点,综述了叶片结构(薄壁、气膜孔)、二次枝晶取向(二次取向)及先进涂层等单一因素及多因素耦合作用对单晶合金拉伸、蠕变及疲劳等典型性能的影响规律及损伤机理研究,并对镍基单晶高温合金近服役环境性能研究的发展方向进行展望。

高流速离子源辉光放电质谱校正灵敏度因子法定量分析镍基高温合金中痕量稀土及贵金属元素

该文通过全面优化高流速辉光放电离子源分析高温合金痕量元素的仪器条件,系统研究高温合金复杂基体元素造成的质谱干扰,选取稀土元素和贵金属元素分析同位素与合适的质谱分辨率,确立了基于基体匹配的变形高温合金标准物质系列的校正灵敏度因子(RSF)定量方案,使测定结果的相对误差由4.0%~80%优化至7.7%~20%,并为痕量分析结果提供了可靠的计量溯源依据。基于此所建立的辉光放电质谱(GDMS)测定镍基高温合金中稀土元素和贵金属元素的方法检出限为0.0010~0.015μg/g,定量下限为0.0030~0.045μg/g。应用于变形高温合金和铸造高温合金实际样品中稀土元素和贵金属元素的分析,测定结果与湿法分析的参考值吻合较好,较好地验证了辉光放电固体样品快捷分析的优势,体现了高分辨质谱检出限低、线性范围宽、可分析元素多的特点,在高温合金材料质控中有着巨大的应用前景。

混合钎料对镍基单晶高温合金大间隙钎焊接头组织和性能的影响

【目的】采用一种新型镍基钎料和母材成分一致的高熔点合金粉混合的方法制备出混合钎料,研究了添加的高熔点合金粉的粒径和配比对钎缝微观组织和力学性能的影响。【方法】采用扫描电子显微镜对钎焊接头的析出相、元素分布、微观组织进行了分析,并对钎焊接头的硬度及持久性能进行了测试。【结果】研究表明,接头主要由钎料合金区(FAZ)、界面连接区(IBZ)和扩散影响区(DAZ)三部分组成。钎料合金区主要由M3B2和M8B型硼化物及γ/γ′相组成。界面连接区由γ和γ′沉淀强化相组成。当合金粉粒径为44μm和75μm时,均可得到无缺陷的焊接接头;但当合金粉粒径尺寸达177μm时,钎缝内会形成孔洞缺陷。【结论】随着合金粉比例的提高,接头连接区的显微硬度有所上升。当合金配比由30%到50%,接头的持久寿命由15 h增加至34 h;但进一步提升比例至60%时,接头的持久寿命下降至0.6 h。该文的结果可为实现高温热端零部件的连接和修复工程应用提供理论依据和参考价值。

Ti预处理的SiC_(f)/SiC与镍基高温合金复合铸件的界面组织与强度

由SiC_(f)/SiC复合材料与K403镍基高温合金熔体制备的一体化铸件,冷却到室温时会出现自行断裂。通过采用Ti粉埋覆包渗工艺在1100℃下对SiC_(f)/SiC表面进行预处理,并在适当工艺下与K403镍基高温合金熔体进行陶瓷型精密铸造,成功实现SiC_(f)/SiC与K403镍基高温合金的一体化成形和界面的牢固结合。结果表明:Ti预处理层平均厚度为17μm左右,Ti向SiC_(f)/SiC渗透、扩散和反应,形成含TiC,Ti3SiC2,Ti5Si3Cx,SiC相的显微组织;经过与高温镍基金属液复合铸造后,预处理层演变成厚约120μm的界面反应层,其典型界面组织为Ni2Si+C+Al4C3+MC(M主要含Ti及少量的Cr,Mo,W)。预处理层的存在减轻Ni与SiC的有害石墨化反应,缓解高温金属液对SiC_(f)/SiC的热冲击,形成的界面反应层降低热膨胀系数失配造成的热应力,使得SiC_(f)/SiC与K403一体化铸件结合界面的室温剪切强度达到63.5 MPa。

航天用镍基高温合金粉末床熔融技术研究进展

采用激光粉末床熔融技术(LPBF)制造镍基高温合金具有较大的生产潜力,在航空航天领域有着广泛的应用,因此这一技术受到了高度关注。近年来,为了更好地了解LPBF-镍基高温合金的性能和使用极限,相关学者对其开展了大量的研究工作。本文基于近年来多项LPBF-镍基高温合金的研究,阐述了该领域的研究目标和重要发现,并列举了LPBF镍基高温合金在航天工业中的具体应用。总体分析了工艺参数和热处理对镍基高温合金及其复合材料增材构件组织及力学性能的影响,以及LPBF过程中常用的建模方法及研究进展。最后,对LPBF-镍基高温合金的未来发展方向提出了展望。

热等静压对一种激光增材制造镍基高温合金组织与性能的影响

以ZGH451合金为研究对象,利用OM、SEM、EBSD等手段研究了热等静压前后的微观组织和力学性能。结果表明,经热等静压工艺处理后,ZGH451合金试样熔池消失,微观组织仍为柱状晶,晶粒尺寸和方向基本和沉积态试样保持一致,未出现再结晶和晶粒长大现象。合金显微缺陷大量减少,微孔体积分数由0.226 5%下降至0.000 512 5%,有效直径由80μm下降至13.5μm。随着热等静压处理温度的升高,位错密度逐渐降低。经热等静压工艺处理后,残余应力从拉应力变为压应力,抗拉强度未发生明显改变;维氏硬度和断后拉伸率大幅上升,HIP1180工艺处理的ZGH451合金维氏硬度从HV 411上升至HV 430,增加了4.7%;断后伸长率提高了35.29%。经过合适的热等静压工艺处理后,使ZGH451合金获得了良好的拉伸性能。

K4169镍基高温合金薄壁机匣的热疲劳行为

采用荧光检测、光学显微镜(OM)和扫描电镜(SEM)等手段研究了K4169镍基高温合金薄壁机匣精铸件在航空发动机服役过程中的热疲劳裂纹的扩展规律及断裂方式,探讨了其疲劳断裂的扩展机制。结果表明,K4169合金薄壁机匣的热疲劳残影裂纹主要起源于外表面加工的缺口敏感处的碳化物,为多源开裂;在循环热应力下,主裂纹沿强度较低的晶界或与枝晶生长方向呈45°的方向进行扩展。晶界上碳化物的组成、分布及高温氧化是影响其裂纹扩展的主要因素,其断裂方式为准解理-韧窝混合断裂。

镍基高温合金增材制造研究进展

镍基高温合金因其优异的高温强度及耐腐蚀、抗氧化性能而备受关注,被广泛应用于航空航天等领域。本文对增材制造镍基高温合金的制备方法、常见牌号以及合金的组织与性能进行了综述,总结了当前存在的问题,提出了未来值得探索的研究领域。金属增材制造技术制备的镍基高温合金具有良好性能,能实现复杂构件精密成形,且制备过程中材料浪费少,有望成为未来航空航天等领域中镍基高温合金构件的重要制备工艺。常见的镍基高温合金增材制造方法有粉末床熔化、定向能量沉积和电弧增材制造等,粉末床熔化被广泛用于制造高精度和复杂零件,但制造速度相对较慢,且设备和材料成本较高。定向能量沉积自由度和灵活性更高,可用于制备功能性梯度材料,但精度较低。电弧增材制造具有较低的设备成本和材料成本,适用于大型零件的快速制造,但其制备的合金表面粗糙度较差,需要进行额外的加工或后处理。在增材制造过程中被广泛研究的镍基高温合金包含IN625,Hastelloy X等固溶强化型和IN718,CM247LC,IN738LC等沉淀强化型高温合金。与传统的铸造和锻造方法相比,增材制造独特的逐层成型、快冷快热的制备过程带来了粗大的柱状晶粒组织和大量细小晶粒的独特微观组织,还形成了独特的熔池组织及位错胞结构。但是,通过增材制造得到的合金一般还需要进行热处理,对晶粒组织、析出相等进行调控,从而影响合金的力学性能。此外,增材制造镍基高温合金的力学性能还与具体制备方法和合金种类有关。尽管目前增材制造已被广泛用于镍基高温合金的制备,但仍面临组织与性能存在各向异性、高性能合金开裂敏感性高以及缺乏相应的规范和标准等问题,将来需要在热处理、专用合金的定制与开发、探索工艺-结构-功能关系以及计算建模等方面深入探索。

协同Orowan绕过和攀移机制的镍基高温合金蠕变新模型

提出一种用于准确便捷预测析出相增强镍基高温合金稳态蠕变速率的蠕变新模型。基于析出相的空间分布,采用概率依赖的方法将位错-析出相交互作用中Orowan绕过和位错攀移机制的协同模式耦合到新的蠕变模型中。结果表明,新模型预测的稳态蠕变速率与实验数据吻合很好。此外,当前模型不再依赖于可调参数;同时,确定了阈值应力与温度的定量关系。这项工作为蠕变变形过程中位错-析出相交互作用提供新思路,并为设计具有更优异蠕变性能的析出强化合金提供有效模型。