基于机器学习的K424合金刻蚀深度预测

为探究水导激光加工过程中不同工艺参数对K424高温合金刻蚀深度的作用,对K424高温合金进行了包括激光功率、进给速度及加工次数在内的三个关键工艺参数的影响刻蚀实验,实验结果表明:较大的功率、较小的进给速度和多次加工会产生更深的刻蚀。此外采用XGBoost、RF、BPNN以及SVR四种模型建立了激光功率、进给速度和加工次数与加工深度之间的预测模型。在拟合效果上XGBoost与SVR模型表现优异,最大误差百分比均不到0.3%;在预测结果方面显示,XGBoost最大误差百分比6.698%,优于另三种模型。最后得出XGBoost模型在拟合和预测K424高温合金加工深度方面有更好的性能。与传统的干式激光加工相比,水导激光加工技术减少了材料热损伤,提高了加工质量。该研究为水导激光加工K424高温合金提供了参考。

铸造工艺对K424合金涡轮组织和性能的影响

研究了不同铸造工艺对K424合金涡轮铸件组织和性能的影响,实验结果表明:浇注温度和模壳温度越高,铸件晶粒越大,越容易在靠近浇口部位产生缩孔缺陷;反之,晶粒越小,组织越均匀,铸件成型和补缩越困难,内部显微疏松越严重,力学性能波动越大;通过采用一定的强化控制凝固冷却措施,有利于涡轮铸件轮盘部位的凝固补缩。当模壳温度为950℃、浇注温度为1470℃,并采用适当的强化控制凝固冷却措施时,K424合金涡轮铸件获得较理想的显微组织、优良的综合力学性能。

铸造工艺对K424合金中σ相析出的影响

研究了常规铸造工艺和细晶铸造工艺对K424合金中σ相析出的影响.结果表明:用常规铸造工艺铸造的K424合金,晶粒较粗大,显微偏析严重,经850 ℃×50～300 h的时效后均不同程度地析出了σ相.浇注温度越高,晶粒越粗大,析出σ相需要的时效时间越短;而采用细晶铸造工艺的K424合金,晶粒细小,经850 ℃×300 h的时效后没有析出σ相.由此可见,细晶铸造工艺是防止K424合金析出σ相的一种有效的工艺.

返回料的返回次数对K424合金成分和性能的影响

镍基铸造高温合金K424使用量多，返回料数量大。根据浇注某大型结构件的材料使用情况，研究了用新料和1～4次返回料对冶炼出的合金的化学成分、氧、氮含量、合金纯净度、力学性能和冷热疲劳性能的影响。结果表明：随着返回料返回次数的增加，冶炼出的合金硼、锆的含量略有下降，铈含量的变化较大，比加入量下降70％以上，合金的氧、氮含量增加，纯净度和冷热疲劳性能降低。采取一定的除气工艺，可以有效降低合金的氧、氮含量，提高合金的纯净度，改善它的冷热疲劳性能。

精炼时间对K424合金纯净度的影响

研究了返回次数与精炼时间对K424合金氧氮含量、浮渣水平、冷热疲劳性能的影响。结果发现,随着冶炼次数的增加,合金氧、氮含量增加,纯净度下降,冷热疲劳裂纹长度增长;精炼时间由15 min延长到30 min后,消除了返回次数的影响,虽然是第四、五次返回,但氧氮含量、浮渣水平已接近新料水平,冷热疲劳性能也得到了很好的改善。

空气起动机K424合金动力涡轮叶轮轮毂的微裂纹研究

将K424镍基等轴晶高温合金整体动力涡轮叶轮在大功率起动1 000次后故障件与定型件、样机件对比,对叶片与轮毂转接处微裂纹及断口形貌、化学成分、力学性能、金相组织等的变化规律以及形成机理进行了研究。结果表明,故障件的微裂纹属于交变应力作用下的低周疲劳断裂,裂纹源位于轮毂表面附近,沿着碳化物边界扩展;晶界强化元素B,Zr偏低,组织形貌存在一定量骨架状碳化物相等缺陷,这些因素导致了K424涡轮叶轮叶片与轮毂转接处微裂纹的形成。

固溶温度对K424合金显微组织与力学性能的影响

对K424合金进行不同温度的固溶处理((1200~1240)℃×4 h+空冷)。对固溶后的合金进行975℃/196 MPa条件下的高温持久试验和室温拉伸试验,并对其显微组织进行表征。结果表明,K424合金在1220、1230和1240℃完全固溶并重新析出均匀、细小且立方度较高的γ′相。相较于(1200~1210)℃×4 h不完全固溶处理,经(1220~1240)℃×4 h完全固溶处理后K424合金的持久寿命明显提高,但室温强度和塑性略低,经1220℃×4 h固溶处理后,K424合金的持久寿命最高,达到97.8 h,是最优固溶处理工艺。不规则的大尺寸γ′相钉扎合金晶界以及阻碍晶内位错滑移,是不完全固溶处理后K424合金室温强度和塑性略高的原因。较高的错配度和立方度、共晶基本溶解以及较高的γ′相体积分数是1220℃×4 h固溶处理后K424合金持久寿命最高的主要原因。

高温合金K424返回料真空冶炼工艺研究

通过改进K424合金逅回料回用工艺,开展K424合金返回料回用的研究。并对返回料合金成分和使用性能进行检验。研究发现,从第4次返回料冶炼开始,O、N含量控制较好,与新料及第1次返回料水平相当,说明冶炼工艺的改进是有效的。

K424合金中空盲管薄壁件精密铸造工艺研究

研究了K424合金X型拉杆前段的精铸工艺。该铸件为大尺寸中空盲管薄壁件,在试制过程中,陶芯的断裂和脱除、铸件的收缩控制和冶金质量都存在一定难度;针对这些问题,对X型拉杆前段从模具收缩设计、蜡模制备方案、浇注系统设计和铸造工艺优化等方面进行了系统的研究,试制出的K424合金X型拉杆前段铸件冶金质量优良、尺寸精确,满足了设计和使用要求。

铜模内径对亚快速凝固K424合金析出相的影响

采用阶梯铜模喷铸制备了不同内径的亚快速凝固K424合金,采用时效处理研究了原始非平衡组织状态对快冷合金γ′析出相析出的影响。结果表明:铜模内径的降低可以减弱合金凝固过程中的溶质偏析程度,缩短相变时间,抑制共晶相及析出相形成,有利于获得高固溶组织。经700℃时效30 min处理后,Ф2合金由于形核驱动力高,临界形核半径小,相比Ф6合金优先析出γ′相。当时效温度提高到800℃,低内径铜模基体中可形成均匀分布的析出相,同时形核密度得到显著提高。随时效时间延长,γ′相先快速长大随后缓慢生长,其中Ф2合金由于γ′相过早析出导致其尺寸比相应的Ф6合金更大。析出相析出可以有效增加合金的显微硬度,经800℃时效180 min后Ф2合金硬度高达494 HV0.2,相比原始快冷合金提高13.8%。

K424合金超温后的显微组织与典型性能

以标准热处理态的K424合金为研究对象,对其进行不同条件的超温热处理(1050~1150℃/2 h+空冷)。对超温后的合金进行975℃/196 MPa条件下的高温持久试验和室温拉伸试验,并对其显微组织和断裂特征进行表征。结果表明:标准热处理后的K424合金经过1050~1150℃超温处理2 h并空冷后,力学性能仅发生轻微降低,其力学性能指标仍明显高于标准规定值。组织表征表明:经过不同温度超温处理并空冷后合金晶粒、晶界和枝晶间γ′相的形貌并未呈现出明显的变化。一次γ′相的立方度提高以及γ通道中二次γ′相析出是合金超温后力学性能仅轻微降低的主要原因。同时,对超温后K424合金的高温和室温断裂机制也进行了讨论。

熔模铸造条件下K424合金枝晶间缩松及微观偏析研究

结合熔模铸造条件下K424高温合金出现的高温持久性能下降的问题,对所存在的一些缺陷进行了研究,对缺陷的形态、成因以及对高温持久性能的影响进行了阐述。借助扫描电子显微镜、显微硬度计等仪器对K424合金试棒进行了观察和测试。结果表明,试棒的枝晶间存在显微缩松。显微缩松附近有呈规则正八面体的MC碳化物聚集。Cr元素发生了较严重的偏析。显微缩松是相邻枝晶臂搭接,剩余液相被封闭在晶间区域收缩而成。显微缩松在高温持久测试时引起应力集中,作用于薄弱的晶间组织,导致高温持久性能不足。

K424高温合金显微组织和力学性能分析

通过金相显微镜、扫描电镜研究了K424合金显微组织。研究表明:K424合金中主要为MC型碳化物和(γ+γ′)共晶组织,MC型碳化物分为汉字骨架状和颗粒、长条状;汉字骨架状的MC型碳化物不利于提高合金伸长率和断面收缩率。

不同冷速作用下K424镍基高温合金相变及组织形成规律

使用差示扫描量热仪,研究了不同冷却速率作用下K424镍基高温合金的相变过程。使用光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)及能谱分析仪(EDS)对K424合金二次枝晶间距及成分偏析随冷速的变化规律进行了分析。结果表明,提高冷却速率使合金二次枝晶间距及碳化物的尺寸减小。枝晶组织的细化及相变速率的加快,导致空间上残余液相的分散分布及时间上初生相的不充分生长,从而减弱了枝晶间Ti,Nb等正偏析元素的富集,降低了碳化物的析出温度及转变程度,甚至可抑制其二次析出。

K424高温合金涡轮叶轮表面线性荧光显示分析

K424材料的涡轮叶轮经荧光检测,在轮盘中心孔及幅板面位置存在线性荧光显示,通过外观检查、断口分析、扫描电镜观察和金相分析,研究轮盘中心孔及幅板面荧光显示部位缺陷的性质及其产生的原因,结果表明:线性荧光显示缺陷为沿碳化物开裂的微裂纹,经抽取同批次零件进行进一步分析,确定微裂纹为加工过程中产生,与加工进刀量及原材料中的碳化物形态和分布等因素有关。

K424高温合金凝固特征及冷却速度对其影响规律

采用等温凝固实验、差示扫描量热仪（DSC）研究了K424合金的凝固行为以及冷却速度对其影响.利用光学显微镜、扫描电镜以及能谱分析仪分析了合金在不同温度等温凝固、不同冷却速度下的微观组织以及凝固后期的元素的偏析行为,确定K424合金的固相线、液相线和主要相的析出温度等凝固特性以及冷却速度对γ＇相、MC碳化物以及共晶组织的影响规律.研究结果表明：K424合金的凝固顺序为：1345℃,γ相从液相析出,随后在1308℃析出MC型碳化物,在非平衡凝固条件下,共晶组织在1260℃析出,1237℃,凝固结束;共晶组织的形成与凝固末期Al、Ti元素的偏析行为以及冷却速度密切相关;随着冷却速度的增加,MC和共晶组织尺寸及数量均呈现先增大后减小的趋势;γ＇相形貌从花瓣形状向规则立方及球形转变,尺寸也从2μm减小至60 nm.

低红外发射率陶瓷层/金属层/陶瓷层复合薄膜高温性能研究

目的研究热处理工艺对陶瓷层/金属层/陶瓷层复合薄膜低红外发射性能的影响,并分析复合薄膜的有效工作温度。方法采用多弧离子镀方法在Ni基K424合金基底上制备了AlCrN/Cr/AlCrN和AlCrSiN/Cr/AlCrSiN两种复合薄膜,分别在700~800℃和800~900℃大气环境下对样品进行了热处理。利用X射线衍射仪、场发射高分辨率透射电子显微镜、X射线光电子能谱仪、电子探针显微分析仪、辉光放电质谱仪和傅里叶变换红外光谱仪,对样品的微观结构、化学组成和表面辐射特性进行了分析。通过建模计算了两种样品在不同温度下的氧化活化能和扩散系数,对比了其抗氧化性能和抗扩散性能。结果样品中的陶瓷层呈纳米晶-非晶结构特征,AlCrN和AlCrSiN陶瓷层中的纳米晶分别为hcp-Cr2N和hcp-AlN。非晶AlCrN介质会在750℃结晶形成面心立方相的Cr(Al)N,加入Si元素可以将其结晶温度提高至850℃。在氧化初期,由于纳米晶的不同,AlCrN和AlCrSiN陶瓷层的表面分别形成富Cr和富Al的氧化层,而由于fcc-Cr(Al)N的形成,以及氧化铬和氧化铝之间极高的溶解度,最终样品表面会形成铝、铬混合的氧化层。当非晶AlCrN介质结晶后,O元素通过晶界深入样品内部导致样品的红外发射率急剧增大,使其低发射特性失效。同时,结晶后的复合薄膜中陶瓷层的氧化活化能降低,Ni元素的扩散系数增大。结论纳米晶-非晶结构的陶瓷层具有更优异的抗氧化性能和抗扩散性能,加入Si元素可以提高样品的抗氧化性能,AlCrSiN/Cr/AlCrSiN复合薄膜可应用于850℃以下的低红外发射率应用。