NiTiHf高温形状记忆合金研究进展

介绍了NiTiHf高温形状记忆合金的研究状况 ,重点评述了NiTiHf合金的设计以及Hf的添加和热处理对合金的相变、力学行为和形状记忆效应的影响 。

高温合金熔化焊的研究现状及发展趋势

综述了高温合金熔化焊的研究进展.对电弧焊、电子束焊和激光焊等常见高温合金熔化焊工艺技术的优势和应用范围进行了阐述;介绍了常见的焊接裂纹类型,并对凝固裂纹、晶界液化裂纹、应变时效裂纹和失塑裂纹的形成机理及影响因素进行了概括总结;此外,从热输入、材料的成分和微观结构以及焊接残余应力等方面探讨了提高熔化焊焊接性的主要技术方法.由于母材合金成分和组织结构与焊接性能密切相关,在未来的发展中,应加强对新兴高温合金和传统不可焊高温合金等的成分设计,此外,也应关注焊接工艺技术的完善以及焊前和焊后处理方法的改进,协同提高高温合金的焊接性能,促进高温合金熔化焊的广泛应用.

高温高应变率下钛合金Ti6Al4V的动态力学行为及本构关系

采用分离式霍普金森压杆实验技术,研究了钛合金Ti6Al4V在温度为25~800℃、应变速率为2 000~7 000 s-1的冲击压缩下的动态力学行为和微观组织演变,分析了其力学响应的温度依赖性和应变率敏感性,构建了可准确表征材料塑性流动行为的修正Johnson-Cook模型。结果表明,Ti6Al4V具有显著的应变硬化、应变率强化、应变率增塑和温度软化效应。随着加载温度和应变率的升高,材料的应变硬化效应减弱。温度敏感性随加载温度的升高而显著降低。应变率敏感性因子与加载温度呈负相关,随真实应变的增大呈下降趋势。高温高应变率下细小等轴α相、拉长型α相和块状α相取代初始等轴α相成为Ti6Al4V微观组织的典型特征。考虑率-温耦合作用和绝热温升影响的修正Johnson-Cook模型能够准确地预测Ti6Al4V的塑性流动应力-应变响应。

NiTiHf高温形状记忆合金的相变行为和形状记忆效应

采用透射电镜、X射线衍射仪和示差热分析仪系统分析了Ni49Ti36Hf15合金的相变行为及其形状记忆效应。结果表明,Ni49Ti36Hf15合金的热马氏体变体间构成典型的自协作组态,主要呈矛头状、镶嵌块状和楔状3种形态,亚结构主要为(001)复合孪晶。随着热循环次数的增加,相变温度降低,经50次热循环后,相变温度随热循环次数增加变化趋势不明显。固溶处理Ni49Ti36Hf15合金在20～184℃范围内弯曲变形时,呈现良好的形状记忆效应,其最大可恢复应变可达3%。形状恢复率随着弯曲变形温度的增加而下降,当弯曲变形温度大于317℃时,形状恢复率下降为0。

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。

铣削高温合金GH3039刀具寿命预测及磨损机理

为揭示高温合金GH3039铣削参数对刀具寿命的影响规律,采用正交试验法对其进行铣削试验,运用多元回归法建立刀具寿命预测模型,分析铣削参数对刀具寿命的影响规律,通过观测铣刀后刀面的磨损情况,探究不同主轴转速下铣刀的磨损机理。结果表明:主轴转速对刀具寿命的影响程度最大,最小为轴向切深;当主轴转速为750 r/min时,铣刀磨损区域主要以黏结磨损和磨粒磨损为主;当铣削速度为950 r/min时,氧化磨损与扩散磨损开始增强;当铣削速度为1 180 r/min时,磨粒磨损与黏结磨损开始减弱甚至消失,氧化磨损与扩散磨损占据主导地位。

32Cr3Mo1V表面激光熔覆TiC/钴基高温合金组织和性能研究

针对铝热轧辊套表面因高温摩擦磨损失效的问题,采用同轴送粉式激光熔覆在32Cr3Mo1V表面制备不同质量分数(0%、5%、10%、15%)TiC/Co-08高温耐磨熔覆涂层。分析了该熔覆层的显微组织形貌、相组成及微区成分;测试了显微硬度、高温摩擦磨损性能。结果表明,Co-08涂层主要由γ-Co及晶间碳化物组成,其磨损形式为氧化磨损和磨粒磨损。TiC添加量为5%时,晶间组织碳化物含量减少,涂层中Fe元素含量升高,涂层显微硬度降低,摩擦系数有所升高,磨损形式为粘着磨损和磨粒磨损。TiC含量≥10%时,晶间碳化物含量升高,涂层中析出细小的TiC颗粒,有效提高了涂层的显微硬度,其摩擦系数也明显降低,磨损机制主要为氧化磨损及轻微的磨粒磨损。当TiC添加量为5%时,涂层显微组织变得粗大且显微硬度及高温耐磨性均降低。随着TiC含量的继续增加,涂层中重新析出小尺寸TiC增强体,且晶间碳化物含量也有所上升,其显微硬度及高温耐磨性也随TiC含量的增加而升高。在TiC含量≥10%时,TiC/Co-08复合涂层具有良好的高温耐磨性。

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。

激光定向能量沉积DD405单晶高温合金的裂纹形成机制研究

采用激光定向能量沉积技术制备了第二代单晶高温合金DD405薄壁结构,通过试验和理论相结合的手段对单晶高温合金在激光定向能量沉积过程中的热裂纹形成机制进行分析和探究。结果表明,热裂纹的形成是由应力集中、液膜稳定性和碳化物析出相3个因素所决定的。由于激光定向能量沉积过程的逐层叠加,残余应力随着沉积高度递增,因此沉积区存在高水平的残余拉应力。沉积区的晶界处会出现显著的应力集中,液膜在两侧拉应力作用下发生撕裂导致裂纹萌生。液膜稳定性与相邻晶粒间的晶界角度密切相关,当大角晶界大于40°时,会在拉应力的驱动下形成热裂纹。MC型碳化物析出相通过“钉扎作用”抑制液相补缩及弱化与基体之间结合强度等作用进一步促进了热裂纹形成。

825合金在含单质硫高温高酸性环境中的局部腐蚀行为

在132℃、H_(2)S分压4.8MPa、CO_(2)分压1.6MPa、氯离子质量浓度42750mg·L^(-1)的气田模拟地层水中,通过腐蚀挂片试验研究了825合金在含单质硫(每升地层水中包裹合金的单质硫质量为10g)与不含单质硫条件下的局部腐蚀行为。结果表明:在不含单质硫条件下825合金几乎不发生腐蚀,腐蚀6d时的腐蚀速率仅为0.0077mm·a^(-1);添加单质硫腐蚀3d时腐蚀速率达到0.0552mm·a^(-1),合金发生了严重的局部腐蚀,随腐蚀时间的延长,合金表面局部腐蚀坑面积、腐蚀坑最大深度和腐蚀速率增大。在不含单质硫条件下合金表面腐蚀产物极少,主要为FeCO_(3),在含单质硫条件下,随着腐蚀时间的延长,表面腐蚀产物增多,主要为FeCO_(3)与FeS;单质硫在高温下发生歧化反应产生H^(+)和S^(2-),使825合金表面腐蚀产物膜破裂,从而加剧了局部腐蚀。

GH4742高温合金热变形过程中动态再结晶动力学研究

为研究GH4742高温合金在热变形过程中的动态再结晶行为,对GH4742高温合金进行了等温压缩实验,研究了变形温度为1050~1140℃、应变速率为0.01~1 s^(-1)、应变为0.18~1.20下的动态再结晶行为,定量分析了各变形条件下试样的显微组织,确定了不同变形条件下的动态再结晶分数。利用经典的动力学和晶粒尺寸模型,建立了GH4742高温合金的动态再结晶动力学模型和动态再结晶晶粒尺寸模型。结果表明,不同变形条件下拟合的动态再结晶动力学曲线均呈“S”型,在较低和较高应变时动态再结晶分数的增长率都很低,而在中等应变时,动态再结晶分数的增长率明显增加。再结晶晶粒尺寸随着温度和应变的增大而增大,随着应变速率的增大而减小。依据所建立的动态再结晶动力学和动态再结晶晶粒尺寸模型,不仅可以为高温合金热加工过程显微组织演化模拟提供参数输入,还可以为优化工艺,进而获得组织均匀的显微组织提供理论依据。

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。

Ru、Y对铸造高温合金与陶瓷界面反应的影响

在定向凝固炉中,采用相同的硅基陶瓷型芯,刚玉陶瓷型壳,熔炼工艺和定向凝固工艺制备了四种不同Ru、Y含量的单晶高温合金叶片,研究了组织稳定性提升元素Ru、抗氧化性增强元素Y对合金与陶瓷材料界面反应的影响。研究结果表明,合金中不含Ru、Y时,合金与型壳发生的界面反应主要为物理粘砂作用,未见合金元素与型壳发生明显的化学反应,合金与型芯发生轻微的界面反应,除了物理作用,还发生了Al与SiO2的化学反应。合金中添加Ru,对合金与型壳或型芯的界面反应无影响。合金中添加0.01%Y后,合金与陶瓷型壳或型芯的界面反应稍有增加,但由于其添加量较少,故影响较小。

微量元素Zr对高温合金铸件凝固缺陷及持久性能的影响

高温合金中微量元素含量虽然极低,但是其对合金的高温性能产生的重要作用不可忽略。以Zr为例,其存在对高温合金铸造特性和高温力学性能的影响仍需要进一步探索。研究了微量合金元素Zr对K417合金凝固过程中凝固缺陷的形成、组织演变以及持久性能的影响。研究结果表明,Zr的加入会影响合金铸态组织中共晶组织的含量,同时也影响凝固过程中的固液相线。随着Zr含量的增加,凝固温度区间先下降后增加;从而影响合金铸造流动性以及组织凝固缺陷的形成。900℃、314 MPa下的持久性能测试结果表明,随着Zr含量的增加,寿命先延长后降低,Zr含量为0.07%时达到最大值。为铸造高温合金母合金中微量元素含量的控制,提高铸件冶金质量提供实验支撑。

梯度硬度A286高温合金的本构模型

构建了一种能够表征材料硬度对流动应力影响的本构模型以满足梯度硬度零件数值仿真的需要。开展了不同硬度(175~370 HV)A286高温合金的准静态压缩试验,构建了考虑硬度影响的改进Ludwik模型,基于该模型进行了梯度硬度薄壁管仿真。结果表明,随着硬度的增加,材料的流动应力也相应增加。相较于原始Ludwik模型,改进Ludwik模型R值增至0.996,e_(AARE)值降至2.6%,能有效预测不同硬度下的流动应力。仿真中薄壁管形成明显的鼓包,鼓包区域应力较小,非鼓包区域应力较大,验证了改进Ludwik模型可以较为准确地描述梯度材料在变形过程中的流动行为。

IN718高温合金的新型热控凝固工艺优化

针对高温合金复杂薄壁铸件易出现欠铸、晶粒粗大和疏松等问题,开发了一种以“低温浇注、高温充型、顺序凝固”为特征的新型热控凝固工艺,研究了在1 380℃浇注温度下模壳温度(1 260~1 350℃)和抽拉速度(6~48 mm·min^(-1))等工艺参数对IN718高温合金圆柱试样组织的影响,并在优化工艺下进行了复杂薄壁特征结构件的成形试验。结果表明:随着模壳温度升高,试样的晶粒尺寸从2.33 mm增加到7.46 mm,且组织均匀性变差,断面等轴晶比例由98%降低到41%,疏松数量减少,尺寸减小。随着抽拉速度增大,晶粒尺寸从3.66 mm减小到2.69 mm,疏松数量增加,尺寸增大;当抽拉速度不小于24 mm·min^(-1)时,组织均匀性较好。最优工艺为模壳温度1 290℃、抽拉速度24 mm·min^(-1),采用该工艺可制备得到晶粒尺寸为0.81 mm、疏松面积分数仅为0.2%、最小壁厚为1.8 mm的IN718高温合金大面积薄壁特征结构件。

航空发动机GH3230高温合金层板结构TLP扩散焊接制备及力学性能研究

随着更高推重比需求的不断提高,航空发动机热端部件不仅需要耐高温材料,更需要冷却效率更高的结构形式,本文采用自主研制的KNiCr–5中间层在1200℃保温4 h的工艺条件下TLP扩散焊接制备了GH3230高温合金多孔层板冷却结构,测试了层板结构模拟件的焊接质量和接头力学性能。超声检测结果表明,层板模拟件所有柱形结构(扰流柱)与底板(冲击板)焊接完好,未发现任何缺陷。焊缝形成了均匀的固溶体组织,无任何化合物相、裂纹和孔洞缺陷存在。室温/950℃高温拉伸测试结果表明,层板板柱结构模拟件和GH3230高温合金棒材对接结构全部断裂在GH3230高温合金基体,焊缝强度均明显高于GH3230高温合金。高温拉伸断裂试件的延伸率高达52%,薄板焊缝90°三点弯曲后无开裂,微观观察无裂纹等缺陷,表明了焊缝具有优异塑性。优异的焊接质量和性能保证了焊缝结构承受高温载荷时能达到GH3230高温合金基体的传热和承力性能,避免了焊缝成为整个层板结构薄弱环节。

气体氮化γ-TiAl合金的抗高温氧化性能研究

γ-TiAl基合金抗高温氧化性较差限制了其在高温场景下的应用,提高其抗高温氧化性能对高温合金的研究与应用具有重要意义。以Ti-48Al-2Cr-2Nb合金为研究对象,将其置于管式炉中分别在800、900、1000℃下进行气体氮化2 h。采用光学显微镜观察显微组织,采用X射线衍射仪分析物相组成,测试维氏硬度,分析900℃下的高温氧化行为。结果表明,随着氮化温度的升高,合金基体片层组织逐渐粗化,表面膜层增厚,维氏硬度升高。在空气中高温氧化128 h后,800℃和900℃氮化后样品的质量增加仅为未氮化样品的25.3%和28.9%,表明800℃和900℃氮化后的样品具有良好的抗氧化能力。由于1000℃氮化样品因膜层存在裂纹,高温氧化时膜层和基体会与氧发生反应生成氧化物,导致质量增加显著。900℃下氮化处理能够显著提高Ti-48Al-2Cr-2Nb合金的表面维氏硬度,增强合金的抗氧化能力。

电感耦合等离子体质谱法测定复杂高温合金中微量硅

以混酸低温加热方式溶解合金,采用电感耦合等离子体质谱法测定复杂高温合金中微量硅。通过实验前准备、动能歧视和完全匹配基体消除二次污染、多原子离子干扰和共存元素干扰。采用5 mL盐酸、0.5 mL硝酸和几滴氢氟酸作溶剂,于80℃加热溶解合金样品,以Sc为内标校正仪器波动产生的影响。以硅的信号强度值为纵坐标,其质量分数为横坐标,绘制标准工作曲线,质量分数在0.002%~0.10%范围内线性良好,相关系数为0.999,检出限为0.0003%。样品加标平均回收率为90.0%~110.0%,测定结果的相对标准偏差不大于2.0%(n=6)。该方法操作简便,能够满足日常测试要求。

GH605高温合金在空气中的氧化及氧化膜结焦行为

航空发动机喷嘴结焦积碳会引起燃油雾化效果变差、燃烧效率低,甚至严重危害航空飞行器的安全。以空气为氧化气氛,研究了不同温度下GH605合金的高温氧化特性,以RP-3航空煤油为原料考察了高温下合金表面状态对结焦行为的影响。结果表明:随着氧化温度的升高,合金表面氧化膜以富铬氧化物及(Co,Ni,Mn)Cr2O4尖晶石为主,W、Ni元素较少,合金具有较好的抗高温氧化性能;氧化膜中含有少量的Co催化元素,氧化表面结焦初期仍以典型的催化结焦机制为主,之后转变为非催化结焦机制,焦炭呈无定型颗粒状。