一种新型Ni-Cr-Fe基合金的成分设计、冶金及强韧化热处理工艺研究

利用增Ni、Al降Cr、Ti含量及CALPHAD方法对Ni-Cr-Fe合金进行了低成本设计;采用发射光谱仪、红外碳硫分析仪、差热扫描量热法、真空感应熔炼和电渣重熔双联冶金、扫描电镜等方法,对合金成分、冶金工艺、热加工工艺、热处理制度进行了系统研究。研究发现:双联冶金工艺成功实现了对设计成分的有效控制,经锻造和轧制热加工,获得均匀洁净的轧制组织;再经900～980℃保温30min固溶,继以720℃保温8h后炉冷至620℃保温8h空冷时效强化热处理,合金力学性能达到Incoloy 925水平。其中轧态组织经直接时效可以获得最佳的综合力学性能。合金轧制时效组织为单一奥氏体细晶组织;固溶时效态组织以奥氏体γ相为主,沿晶或晶内弥散析出MC型一次碳化物。研究结果对于我国新型高强韧Ni-Cr-Fe合金开发具有参考价值。

喷丸工艺参数对718镍基合金表面性能的影响

为全面理解718镍基合金喷丸强化工艺参数的作用,用精确的三维建模对弹丸和基体进行模拟,并结合仿真分析方法考察喷丸尺寸、速度及入射角度对喷丸强化的影响。重点分析了表面粗糙度和残余应力分布,以全面展现喷丸强化的关键特征。结果表明:随弹丸直径和速度的增加,残余应力呈规律性变化,入射角度为0°~10°时对残余应力影响较小,但可轻微降低表面粗糙度。当入射角度从10°增至30°时,喷丸强化效果减弱,同时表面粗糙度增加。这为工艺参数选择提供了重要参考。通过试验验证仿真结果,进一步证实了本研究的准确性和实用性。

Waspaloy镍基合金高温流变应力及其本构模型构建

针对涡轮发动机涡轮叶片复杂应力状态下的时效变形问题,以涡轮叶片材料Waspaloy镍基合金为研究对象,开展Waspaloy镍基合金时效处理,完成时效态Waspaloy镍基合金600、700和750℃准静态高温力学拉伸试验。利用Ludwik和Hollomon经验公式预测Waspaloy镍基合金高温塑性段流变应力,引入平均误差(the mean error,E_(r))和均方根误差(root mean square error,RMSE)评价流变应力的预测准确度。结果表明,时效处理后合金的硬度得到有效提升,而其塑性性能有所降低。Waspaloy镍基合金的抗拉强度和延伸率在600~750℃区间范围内与加载温度呈负相关关系。Ludwik模型较Hollomon模型有更高的流变应力预测精度,而在高温高应变区域Ludwik模型预测流变应力仍存在较大误差。在Ludwik模型的基础上引入指数项,修正后的Ludwik模型能更好地预测Waspaloy镍基合金高温塑性段的流变应力。

Inconel 617镍基合金电弧增材制造微观组织与力学性能

电弧增材制造技术基于分散累加原理,可实现镍基高温合金复杂结构快速无模加工,是一种广受关注的先进加工技术。该研究以高温耐蚀合金Inconel 617增材制造块体为研究对象,采用OM,SEM及万能拉伸试验机等手段分析了增材制造镍基合金块体微观组织及力学性能。研究结果表明,Mo元素在柱状枝晶间偏析,促使大尺寸的Laves相沿枝晶析出。在拉伸应力下,Laves相由于脆性较高,易发生断裂,诱发裂纹萌生。由于裂纹扩展路径在不同方向拉伸时存在显著差异,导致增材制造构件沿沉积方向强度(900 MPa)显著高于垂直沉积方向强度(700 MPa)。该研究为电弧增材制造镍基合金的组织性能调控奠定了一定基础,为进一步推动电弧增材制造镍基合金构件的应用进行了有益探索。

高温模拟压水堆一回路水中枝晶取向对Inconel 182镍基合金焊接金属应力腐蚀开裂的影响

在模拟压水堆(PWR)一回路高温水中对Inconel182镍基合金焊接金属进行了应力腐蚀开裂(SCC)试验,研究了枝晶取向对其SCC行为的影响。结果表明:在320℃下模拟压水堆一回路水中,182合金LT取向试样断口上出现全面沿晶应力腐蚀裂纹扩展带,其平均裂纹扩展速率以及最大裂纹扩展速率均大于290℃下相同试样,表明在模拟压水堆一回路水中升高温度对182合金焊接金属应力腐蚀裂纹扩展有促进作用;290℃下182合金LT取向试样的平均裂纹扩展速率、最大裂纹扩展速率以及裂纹扩展区宽度占比均大于TL取向试样,表明裂纹沿LT枝晶取向更容易扩展。

基于梯度过渡的铁基合金涂层组织与性能研究

采用由材料性能模拟计算软件获得的梯度材料,通过等离子弧喷涂的方法,在F304不锈钢基体上喷涂含梯度过渡的铁基合金涂层,并与无梯度过渡涂层进行比较,分析梯度过渡对涂层组织、硬度和耐磨性的影响。结果发现,含梯度涂层与无梯度涂层均呈波浪形层状结构,由高度扁平化的变形粒子相互搭接而成。涂层粒子间呈微冶金结合,涂层与基体间、扁平粒子间及扁平层内部可观察到氧化物。涂层组织包括奥氏体、铁素体和碳化物。含梯度涂层与无梯度涂层表面硬度相近,但无梯度涂层截面硬度与基体硬度存在明显陡降台阶,而含梯度涂层截面硬度与基体硬度平缓变化,且含梯度涂层截面硬度略低于无梯度涂层截面的。含梯度涂层与无梯度涂层在400℃时磨损率相近,但在350℃时,含梯度过渡涂层磨损率低于无梯度过渡涂层的。梯度过渡是导致涂层硬度平缓变化和耐磨性提高的原因,可能与梯度层改善了涂层的组织与塑性有关,对此还需要更多的研究。

CMQL和UEV下Incone1690镍基合金切削力和温度分析

低温微量润滑(CMQL)可以使切削阶段达到更优的切削摩擦性能,提升刀具耐磨性能并获得更优减磨效果;超声椭圆振动(UEV)能够提高难加工合金的切削性能。在超声椭圆振动基础上设置低温微量润滑条件,并通过实验分析其切削效果。研究结果表明:采用UEV和CCMQL模式时,切削力与进给力降低比例依次为62.3%与75.0%,在低温微量润滑过程能够实现更低温度控制效果,有效防止工件的热软化问题。普通切削时温度都接近445℃。UEV可以获得更低温度,同时运用UEV和CMQL处理方式,温度下降了16.1%,采用UEV和CCMQL方式时,温度下降19.5%。通过降低喷嘴角度的方式,获得更低切削雾滴温度,刀尖应力出现降低实现刀具保护,促进刀具寿命延长。该研究有助于改善合金切削工艺,对提高切削质量提供了一个思路。

3D打印镍基合金GH3536化学机械抛光机理研究

目的实现无瑕疵的3D打印镍基合金GH3536超光滑镜面,揭示镍基合金GH3536在不同成分溶液下的化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing,CMP)去除机理。方法采用单因素实验法通过CMP对镍基合金GH3536展开研究。采用电化学测试技术和X射线光电子能谱(X-rayPhotoelectron Spectroscopy,XPS)分析3D打印镍基合金GH3536在不同p H值、不同氧化剂浓度和不同抛光液类型下的溶解与钝化行为。结果当pH值为3~3.5、H_(2)O_(2)质量分数为10%时,可获得最优的材料去除率(MRR为20.24 nm/min)和表面粗糙度(Surface Roughness,其中Ra为0.684 nm,S_(a)为1.699 nm),CMP抛光面可达到超光滑低损伤的镜面效果。根据电化学和XPS测量结果,建立了化学反应方程,确定了去除机理,具体为:在化学机械抛光过程中,镍基合金GH3536表面首先被H_(2)O_(2)氧化成Ni、Fe等氧化物;其次,在酸性H^(+)作用下,氧化物转化为Ni^(2+)、Ni^(3+)和Fe^(3+)等多价离子;最后,多价离子会与柠檬酸发生络合反应生成较软的柠檬酸盐络合物,在CMP抛光中发生去除。结论与传统电化学加工相比,采用CMP加工的3D打印镍基合金GH3536的表面粗糙度更低,表面形貌更好,可用于对面型精度要求较高的镍基合金的超精密加工。基于电化学测试技术和XPS深度剖析的方法有效揭示了镍基合金GH3536的材料去除机理,获得了不同p H值、氧化剂浓度和不同抛光液种类对材料去除机理的影响规律。为获得新型高质量表面的3D打印合金材料提供指导意义。

GH901镍基合金阀杆弯曲控制方法

针对GH901镍基合金的难加工材料特性及细长杆结构的弯曲变形特点,通过对加工过程中的切削抗力、加工硬化、磨削粘附及弯曲变形进行工艺分析,从工件装夹、制造流程、车削参数、分段支撑及磨削方法等方面制定改进方案。经工艺试验和效果验证,有效解决了GH901材质阀杆的弯曲变形难题。

环片硬度对金基合金导电环摩擦磨损性能的影响

通过摩擦磨损试验、寿命试验和表界面分析方法研究了不同硬度的AuAgCu合金环片与AuNi合金刷丝在大气环境下的摩擦特性和磨损形貌特征.结果表明,随着导电环环片硬度由200.4 HV提高到243.6 HV,摩擦系数显著降低,环片磨痕宽度有所减小;环片与刷丝接触部位均存在典型的黏着磨损形貌特征,刷丝磨损区域形貌不规则,但硬环的磨损区域呈现出明显的犁削状划痕形貌;硬度不同的环片与刷丝对摩产生的磨屑均为薄片状且无团聚,磨屑成分与环片金属材料成分一致.此外,通过寿命试验前、后导电环环片和刷丝的质量分析可知,环片硬度的提高可显著降低导电环环片的磨损量.可见,在一定范围内提高导电环环片硬度,可以获得较好的减摩抗磨效果,为后续电接触材料对偶摩擦副的配副提供了试验和理论依据.

TiAl基合金格栅结构预制空位拉制成形研究

为解决TiAl基合金板材制备困难、成形性能差以及难以采用传统方法制造格栅结构的问题,采用预置空位拉制成形方法制造TiAl基合金格栅结构。在烧结温度1150℃、烧结压力30 MPa、保温时间2 h条件下,通过预合金粉末热压烧结工艺制备TiAl基合金。TiAl基合金板料预制空位拉制成形温度为990℃,应变速率为0.001 s^(-1)。结果表明,随着板材变形长度增加,空位形状变化为纵向菱形→正方形→横向菱形,空位沿板材分布比较均匀,与模拟结果相符;板材最大拉应变位置由空位圆角处转移到空位交叉处,最大拉应变值为0.5。当TiAl基合金预置空位板材变形长度最大达到89 mm时,变形区伸长率为112%。

基于贝叶斯优化的Mo基合金高温强度影响分析

Mo基合金作为先进核反应堆的包壳等堆芯结构材料的候选材料,其高温抗拉强度仍是制约其在先进核反应堆领域应用的瓶颈之一。本文通过收集Mo基合金的成分及抗拉强度等数据,并对数据进行相关性分析及重要属性的筛选,采用贝叶斯优化卷积神经网络的回归模型,构建了Ti、Zr、C、N等关键成分与Mo基合金抗拉强度的关联性,获得针对Mo基合金高温抗拉强度的性能预测。结合相关性分析以及建模预测分析得出:Ti、Zr、Re、La_(2)O_(3)有利于Mo基合金高温抗拉强度的提升;N和Si不利于Mo基合金高温抗拉强度的提升。后续通过分析双元素或者三元素组合共同影响抗拉强度变化,可以得出在特定温度条件下,Mo基合金抗拉强度达到一定范围的成分设计方案。

时效时间对固溶态及冷变形态钴基合金显微组织和力学性能影响

对固溶态及冷变形态的两种钴基合金L605、L605Mo进行600℃不同时间的时效处理,采用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)及力学性能测试等方法研究时效时间对合金显微组织与力学性能的影响,并分析了冷变形及Mo元素对时效行为的影响。结果表明:经过冷变形的合金经600℃时效后,强度、硬度提高,塑性韧性下降;而固溶态合金经时效后,力学性能变化不明显,其中,抗拉强度最高的合金为时效12 h的s25-13合金。时效初期碳化物析出及层错形成使合金强度提高,但随着时效时间的延长,冷变形形成的具有强化作用的变形带在时效过程中退化会使合金强度减小。M_(6)C含量随时效时间延长而不断增加,冷变形促进M_(23)C_(6)及M_(6)C析出使合金的时效强化效果更加显著。Mo能降低层错能,促进时效过程中M_(23)C_(6)、M_(6)C和层错的形成以及层错的交割,从而提高合金的强度。因此,添加Mo的合金经时效处理后强度、硬度均高于未添加Mo的合金。

合金粉末组合烧结成形NiAl基合金筒形构件

基于快速凝固和热压烧结工艺,设计了合金粉末组合烧结工艺以成形高性能NiAl基合金筒形构件。结果表明:NiAl基合金组合烧结界面的结合良好,界面性能优异,光滑与粗糙表面样品界面的结合性能相似。此外,NiAl基合金组合烧结界面没有孔洞、裂纹等缺陷,显示出良好的界面结合,通过界面性能测试分析验证了组合烧结方法成形高性能NiAl基合金构件的可行性。此外,基于NiAl基合金组合烧结工艺,成形出径厚比为6、外径Φ60 mm、高度60 mm的NiAl基合金筒形件,构件整体致密度均匀性良好,改进了热压烧结成形大径厚比筒形构件的致密度不均匀难题。

可降解锌基合金在骨缺损修复重建中的应用及研究热点和不足

背景:锌基合金医用植入材料有优异的力学性能、完全可降解性、良好的生物相容性,主要用于骨科植入物、心血管支架、胆管支架、气管支架、神经导管等。目的:综述可降解锌基合金应用于骨缺损修复的研究进展,展望锌基材料可期研究方向与成果。方法:检索PubMed、Web of Science、万方及中国知网数据库,选择各数据库建库至2023年6月收录的各类可降解锌基合金用于骨植入材料研究的相关文献,对生物可降解锌基合金的基本特性进行概述,对锌基合金促进骨组织修复作用进行梳理和归纳总结,讨论当前的研究热点与不足。结果与结论:①锌基合金具备良好的生物相容性,以锌基合金为基体材料,借助支架结构构建技术和涂层优化工艺将有效提高锌基合金的骨传导性,并且使其降解产物具备高效骨诱导性,以调控成骨、破骨细胞的基因表达,促进骨缺损后的修复重建;②然而在锌基合金优化的研究中,涂层工艺相对不足,增材负载技术尚缺乏;③锌基合金拥有良好的机械、生物特性,通过特殊工艺可增加材料的骨传导性、骨诱导性以有效提高其促进骨修复重建能力,并有望进一步实现个性化移植材料的研发。优化涂层与增材负载等技术融合于锌基合金的研究有待进一步探讨。

Inconel 600镍基合金PAW+TIG接头微观组织及力学性能

针对Inconel 600镍基合金在石化装备行业的应用焊接问题,选择合适的焊接工艺是其所面临的一项挑战.采用PAW+TIG工艺流程对厚度为6 mm的Inconel 600镍基合金进行焊接,应用光学显微镜、扫描电镜和拉伸试验机等对Inconel 600镍基合金PAW+TIG接头的微观组织及其性能进行研究.微观组织分析结果表明,接头焊缝表面成形光滑平齐,半椭圆状的鱼鳞纹均匀分布,接头母材区域和热影响区的组织均为细小的等轴晶奥氏体,其中热影响区晶粒的尺寸大于母材区,焊缝区域的组织为树枝晶;接头的抗拉强度达到589 MPa,接头断裂类型为韧性断裂,焊接接头具有良好的塑性和抗弯曲性能;焊缝处电化学腐蚀测试结果表明,在焊接热影响区域局部腐蚀敏感性增加,说明焊接接头的耐腐蚀性降低;对焊缝退火处理并进行性能测试的结果表明,退火后焊接接头析出针状第二相,其在晶界和孪晶界处形成了一定的强化效应,能够抑制晶粒长大并影响材料的整体性能.综合分析焊接接头微观组织及其性能表明,采用PAW+TIG的接头热稳定性较好,能够满足其在高温条件下的工作要求.

基于小试样的定向凝固镍基合金蠕变性能评估方法

在热处理态定向凝固镍基合金棒材上制取工字型非标准小试样和棒状蠕变标准试样,并进行了不同温度(800,850,900,980℃)下的应力松弛试验和不同应力(标准试样为250,350,450 MPa,小试样为250,350,400,450 MPa)下的蠕变持久试验,研究了标准试样和小试样的松弛蠕变和持久蠕变行为,建立了小试样松弛蠕变速率与标准试样持久寿命的关系。结果表明:小试样和标准试样的持久蠕变曲线均单调递增直至试样断裂,持久蠕变速率曲线均均呈“U”字型,两者的最小持久蠕变速率接近;小试样和标准试样的高温松弛蠕变曲线均单调递减,温度归一化后两者松弛蠕变速率分布在一条线上;持久蠕变和应力松弛试验后标准试样和小试样中γ′相均沿垂直于应力方向聚集粗化,属于N型筏化;标准试样持久寿命与小试样松弛蠕变速率存在线性关系,利用小试样松弛蠕变速率预测的持久寿命和标准试样实际持久寿命接近。

锆基合金表面仿生织构设计及润湿性仿真研究

为探究锆基合金织构化表面微润滑机制,在锆基合金表面制备一种类似树蛙趾端表面多边形棱柱结构的仿生织构,利用ANSYS Fluent软件在模拟织构表面并建立液滴铺展模型,分析不同织构参数(织构边长、织构间距)下仿生织构表面的亲水性能。结果表明:六边形织构在相同面积率下可提供最长的凹槽长度及最长的织构边缘长度,在各多边形织构中具有较强的亲水效果;织构间距、织构边长与接触角之间均存在明显线性关系,接触角随织构间距的增大而减小,随织构边长的增大而增大,因此可通过调整织构边长与织构间距实现对亲水性能的改善。在研究的织构边长和织构间距范围内,锆基合金织构表面的接触角都低于光滑合金表面的接触角,表明建立的仿生织构表面改善了锆基合金的亲水性。

国产镍基合金C-HRA-1以及C-HRA-2在超临界水中的氧化性能研究

针对超(超)临界电站锅炉高温受热面材料蒸汽侧氧化问题,该文开展国产镍基合金C-HRA-1在620~650℃/25 MPa以及C-HRA-2在650℃/25 MPa超临界水环境的氧化实验研究。利用精密电子天平、扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)、X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)、X射线光电子能谱(X-ray photoelectron spectroscopy,XPS)以及原子力显微镜(atomic force microscope,AFM)等对材料氧化动力学、氧化膜微观形貌以及氧化膜物相组成进行分析。同时,开展600℃/25 MPa超临界水环境氧同位素标记实验,探究镍基合金C-HRA-1在超临界水中的氧化机理。结果可知,C-HRA-1与C-HRA-2氧化后的主要物相为Cr_(2)O_(3)和NiCr_(2)O_(4),NiO、CoO、MoO_(3)以及NiFe_(2)O_(4)也被检测到;合金中阳离子向外扩散导致了氧化膜的生长。国产镍基合金C-HRA-1在超临界水中表现出较高的抗氧化性能。

NbSi基合金HRS法制备研究

目的满足高性能航空发动机高压涡轮叶片的制备需求,探索精密铸造方法制备NbSi基高温合金柱状晶和单晶铸件的可行性,并提出面临的主要问题。方法采用具有螺旋选晶器结构的氧化锆型壳进行了HRS法定向凝固实验,采用扫描电子显微镜观察引晶段纵剖面微观组织,采用EBSD技术测试引晶段纵截面及螺旋段不同高度处横截面的取向信息,分析了螺旋选晶器对铌硅基合金杂晶淘汰的效果及螺旋段的组织取向演变规律。结果因定向凝固温度较低,致使引晶段、螺旋段组织均为等轴晶组织,且Nbss晶粒与嵌入其中的γ-Nb_(5)Si_(3)晶粒并无普遍严格的取向关系。而螺旋选晶器并未起到取向淘汰作用,这一方面是由于炉膛温度过低(1720℃)不能达到合金液定向凝固的效果所致,但另一方面,对于初生相为γ-Nb_(5)Si_(3)(小平面相)的过共晶铌硅基合金,因小平面相生长具有强烈的各向异性和较弱的横向扩展能力,因此选晶器不能起到较好的取向淘汰作用。而进一步提高炉膛温度至1780℃,其余参数一致,浇注后型壳软化破裂,合金液漏出。结论目前,工业制备铌硅基合金定向凝固柱状晶乃至单晶零部件急需解决的是型壳材质耐温能力不足的问题,需开发一种能长时间(30 min以上)承受1800℃以上温度的型壳。选晶法对过共晶铌硅基合金不能起到较好的取向淘汰作用,建议选用籽晶法。