K417镍基高温合金微动磨损行为的研究

研究了K417镍基高温合金的微动磨损行为。结果表明,K417镍基高温合金的微动磨损可以分为开始、过渡和稳定三个阶段,稳定阶段的微动磨损机理是疲劳脱层。高温下K417镍基合金的微动磨损表面可以形成致密的釉质氧化膜,具有良好高温强度的K417镍基合金基体的支撑保证了釉质氧化膜的连续和完整。通过降低剪切应力的大小和改变其分布形式,釉质氧化膜可以缓解K417镍基合金的微动磨损。

大高径比K417镍基高温合金锭二次缩孔缺陷的数值模拟

利用ProCAST有限元分析软件对大高径比K417镍基高温合金铸锭充型及凝固过程进行数值模拟,模拟研究了合金锭在凝固过程中其二次缩孔缺陷形成位置、数量和成因,及浇注温度和浇注速度对二次缩孔缺陷的影响,并进行了试验验证。结果表明:数值模拟得到的合金缩孔缺陷分布与实际生产的合金锭缺陷分布趋势一致,证明了数值模拟结果的准确性。提高浇注温度、降低浇注速度能在一定程度上抑制合金锭二次缩孔缺陷的形成,但无法完全消除缺陷,在1 530℃、浇注速度1.40 kg·s条件下,合金锭的缩孔缺陷最少。

铸造镍基高温合金K417G中高温拉伸断裂机理研究

研究了高温合金K417G热等静压热处理后700℃和950℃时拉伸的断裂机制,使用万能试验机进行中高温拉伸试验,通过扫描电子显微镜对组织、断口形貌、断口纵截面进行观察。结果表明:热处理后试样枝晶形貌明显,枝晶干上γ′相立方度较高,尺寸为0.4~0.5μm,且排列整齐,枝晶间有尺寸为1.5~2.6μm的花瓣形γ′相析出。与700℃时试样的拉伸性能相比,950℃时抗拉强度降低了46.3%,而伸长率提高了200%,这说明高温拉伸强度降低,塑性增加。中温拉伸时,枝晶间长条形碳化物是断裂的主要裂纹源及扩展通道。而高温拉伸时,晶界处的碳化物、共晶成为裂纹源,裂纹沿晶界扩展,形成了沿晶断裂形貌。

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。

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%。

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。

凝固冷速对铸造镍基高温合金K417G显微组织的影响

对铸造镍基高温合金K417G进行了不同冷却速率的凝固试验,并对凝固后的试样进行了光学金相和定量金相分析,研究了凝固冷速对合金显微组织的影响,通过线性回归的方法确定了平均枝晶间距与凝固冷速的关系。结果表明:凝固冷速增大明显细化树枝晶、MC碳化物和(γ+γ′)共晶。冷速对MC碳化物的量影响不大,但对(γ+γ′)共晶量有明显影响,过快和过慢的冷速都能引起(γ+γ′)共晶量增加。K417G合金的平均枝晶间距(λ/μm)与凝固时冷速(V/℃.s-1)存在λ=85.1V-0.35的对应关系,根据该关系式可以通过测量铸件不同部位的平均枝晶大小确定该部位凝固时的冷却速率。

改型K417L镍基高温合金的热疲劳行为

利用开有V形缺口的平板试样,研究了两种不同成分的改型K417L镍基铸造高温合金在最高温度为1 100℃,最低温度为室温的热循环下的热疲劳行为.通过光学显微镜和扫描电镜观察合金的组织和热疲劳裂纹形貌,研究热疲劳损伤机制.结果表明:晶界及显微组织的差异是造成改型合金热疲劳性能劣于原K417L合金的主要原因;改型合金的热疲劳主裂纹主要从V形缺口处萌生,主裂纹和二次裂纹都沿晶界扩展,裂纹沿着或穿过MC碳化物,高温氧化是影响裂纹生长的主要因素.

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。

K417铸造镍基高温合金热机械疲劳行为的研究

研究了 Ｋ４１７合金在 ４００－８５０℃同相（ＩＰ）和反相（ＯＰ）的热机械疲劳（ＴＭＦ）行为，并且与 ８５０℃等温疲劳（ＩＦ）性能进行了比较．结果发现： Ｋ４１７合金 ＩＦ和 ＴＭＦ都具有循环硬化特征， ＩＦ的循环硬化能力比 ＴＭＦ的要高．与等温疲劳寿命相比较，在相同机械应变幅下， ＴＭＦ的寿命降低，而且同相（ＩＰ）的寿命比反相（ＯＰ）的寿命更低 ＳＥＭ断口及断裂纵向剖面检查发现，同相ＴＭＦ的沿晶开裂是导致其疲劳寿命比反相ＴＭＦ低的主要原因．

直流电场作用对K417G镍基高温合金凝固组织的影响

研究了直流电场作用下 K417G镍基高温合金凝固组织的变化。实验结果表明 :电场作用改变了枝晶组织的生长形态和碳化物的形貌 ,并引起了凝固组织择优生长取向的变化及第二相的分布和形态的变化。

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。

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。

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。

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。