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。

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。

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。

基于镍基材料构建无酶比色传感器快速检测马拉硫磷

制备NiBM并将其应用无酶传感器的构筑,建立比色法快速检测马拉硫磷。合成的NiBM能将无色的3,3′,5,5′-四甲基联苯胺氧化为蓝色的TMB氧化物。当马拉硫磷存在时,由于NiBM中镍原子与马拉硫磷的硫代磷脂键之间具有高亲和力,NiBM与马拉硫磷相结合,抑制NiBM对TMB的氧化反应。该无酶NiBM传感器在最佳检测条件下表现出优异的稳定性和较高的检测性能,检测马拉硫磷的线性范围为0~100 ng·mL^(-1),检测限低至7.8 ng·mL^(-1)。所提出的比色传感器为有机磷农药的测定提供了一种有前景的快速检测技术,该技术使用的NiBM制备过程简单且原料廉价易得,有望应用于复杂基质中马拉硫磷的快速检测和通量筛查。

石墨管与不锈钢管钎焊接头的组织和残余应力

为使石墨材料能够在空间核电散热装置中更充分地发挥其价值,本文采用BNi-2钎料真空钎焊连接等静压石墨管和304不锈钢管,研究了石墨/BNi-2/不锈钢接头在1010℃、保温90 min条件下的显微组织和不同冷却工艺对接头残余应力的影响。研究表明:在1010℃,保温90 min条件下,钎焊接头致密无裂纹,Cr元素在石墨侧与石墨基体反应形成Cr_(7)C_(3)反应层,在不锈钢侧形成了σ-FeCr扩散层,界面接头组成为石墨/Cr_(7)C_(3)/Ni(s,s)+Ni_(3)Si/σ-FeCr/不锈钢;经缓冷工艺处理的接头,常温剪切强度为28.38 MPa,比炉冷处理的接头剪切强度提高了22%;有限元数值分析结果表明,采用缓慢冷却的钎焊工艺可以有效缓解钎焊接头在冷却过程中产生的残余应力,符合剪切实验结果。

GH3230合金TLP扩散连接动力学实验研究

过渡液相(TLP)扩散连接能够获得与母材组织性能相似的焊缝,因而成为航空发动机热端部件镍基高温合金结构的重要连接技术而被广泛应用。TLP扩散连接过程中液相的等温凝固形成不含析出物的固溶体组织是TLP扩散连接机制与过程动力学的核心环节,采用自行研制的镍基非晶态中间层针对GH3230合金的TLP扩散连接过程进行了研究试验,重点分析了不同连接时间条件下TLP扩散连接焊缝区域的元素扩散和分布特征,以中间层中Co元素为示踪原子,根据GH3230合金与中间层材料中的Co元素的含量分布状态判定等温凝固阶段前的液相最大宽度及等温凝固完成时间等重要参数,结果表明:液相最大宽度为72μm,GH3230合金在1180℃的焊接温度下TLP扩散连接等温凝固完成时间大于4 h。

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。

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。

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。

单脉冲电沉积Ni-纳米TiC-氧化石墨烯复合镀层结构及磨损性能

本研究利用单脉冲电沉积技术在Q235钢表面制备了一种新型的Ni基减摩耐磨三元复合镀层,首先通过研究氧化石墨烯(GO)浓度对Ni-纳米TiC基复合镀层形貌、镀速及硬度的影响确定了最佳的GO添加量,然后利用X射线衍射仪(XRD)、拉曼光谱仪(Raman)和X射线光电子能谱仪(XPS)等设备对三元复合镀层的结构进行了表征。最后与Ni-纳米TiC复合镀层等进行了对比,研究了三元复合镀层的硬度及耐磨损性能。结果表明:镀液中GO的最佳质量浓度为200 mg/L。此时,Ni-纳米TiC-GO复合镀层的表面均匀致密,粗糙度值Ra=3.087μm。XRD和拉曼光谱等分析结果表明纳米TiC和GO成功复合到Ni基镀层之中。Ni-纳米TiC-GO复合镀层的硬度为726.3HV,约是Ni-纳米TiC复合镀层(463.8HV)的1.5倍。Ni-纳米TiC-GO复合镀层的平均摩擦系数为0.108,相比于Ni-纳米TiC复合镀层(0.285),其具备更好的减摩耐磨性能。

(TiZrHf)_(40)(NiCu)_(55)Al_(5)高熵非晶钎料真空钎焊Ti_(2)AlNb/GH4169合金

设计了一种高熵非晶钎料(TiZrHf)_(40)(NiCu)_(55)Al_(5)对Ti_(2)AlNb合金与GH4169镍基高温合金进行真空钎焊,分析了钎焊工艺对Ti_(2)AlNb合金/GH4169镍基高温合金接头界面组织形貌、力学性能及断裂行为的影响规律.结果表明,钎焊接头可划分为Ti_(2)AlNb/等温凝固区(Ⅰ区)/钎缝中心区(Ⅱ区)/扩散反应区(Ⅲ区)/GH4169;钎焊接头典型界面组织为Ti_(2)AlNb/B2+Ti_(2)Ni(Al,Nb)/(Ti,Zr,Hf)(Ni,Cu)/(Ni,Cr,Fe,Ti)ss+Cr-rich(Ni,Cr,Fe)ss+Ni-rich(Ni,Cr,Fe)ss+(Ni,Cr,Fe)ss/GH4169;随钎焊温度升高和保温时间延长,钎焊接头的抗剪强度均呈现出先增大后减小的趋势,当钎焊温度为1020℃、钎焊时间为15min时,接头的抗剪强度达到最大237 MPa.断口分析表明,接头主要断裂在Ti_(2)Ni(Al,Nb)+(Ti,Zr,Hf)(Ni,Cu)+(Ni,Cr,Fe,Ti)ss处,并逐渐向扩散反应区扩展,断口形貌呈现出典型的解理断裂特征.

原位生成TiC增强镍基梯度涂层的组织与性能

通过激光熔覆技术在H13钢表面原位生成TiC增强镍基单一涂层和梯度涂层,使用扫描电镜、能谱仪、X射线衍射仪、显微硬度计、万能摩擦磨损试验机对涂层的微观形貌、成分分布、物相组成、显微硬度和摩擦磨损性能进行对比分析。结果表明,单一涂层易出现宏观气孔、裂纹、与基体结合差等缺陷,而梯度涂层能够实现成分、组织性能的梯度变化,与基体形成良好的冶金结合;梯度涂层生成Fe-Cr、TiC等多种增强相,使钢表面硬度和耐磨性显著提高,平均硬度约为单一涂层的1.44倍、基体的2.58倍;梯度涂层的平均磨损量为单一涂层的45.6%、基体的32.4%;梯度涂层磨损机理主要是颗粒磨损和粘着磨损。

孔挤压强化对GH4169孔结构高温疲劳裂纹扩展行为影响研究

为探究孔挤压强化对镍基高温合金GH4169孔结构疲劳裂纹扩展行为的影响规律,针对孔挤压强化后螺栓孔特征模拟件开展残余应力松弛及疲劳裂纹扩展试验。结果表明,经热松弛稳定后,孔边依旧可以保持至少400 MPa的残余压应力水平,且孔壁表面残余应力松弛幅度高于内部;孔挤压强化后疲劳裂纹扩展速率降低一个数量级,随着相对挤压量增加,疲劳裂纹扩展速率降低幅度增大,疲劳裂纹扩展寿命增幅为4~22倍。结合有限元仿真及断口分析,孔挤压强化对疲劳裂纹扩展的影响机制可归结为松弛至稳定后的残余压应力抵消部分外载应力,导致有效应力强度因子范围减小,使得疲劳裂纹扩展速率降低。基于该机制,利用残余应力修正的Walker模型对疲劳裂纹扩展寿命进行预测,误差在1.8倍分散带以内。

选区激光熔化过程熔池缺陷的形成机理研究

采用三维高保真计算流体动力学模型,研究了镍基高温合金GH4169在SLM过程中的熔池流动和缺陷形成过程,揭示了剥蚀和球化等缺陷的形成机理。结果表明,熔池的驱动力主要为马兰戈尼力和表面张力,马兰戈尼力促使熔池由内而外流动,而表面张力导致熔池由外向内流动。剥蚀现象一般出现在熔池附近,当剥蚀区域较小时,剥蚀呈周期性出现和消失。而当剥蚀区域较大时,少量的熔融液体无法填充大区域的剥蚀,导致表面质量退化。当熔池的长深比小于3.4时,在高温区(马兰戈尼力为主要驱动力)与低温区(表面张力为主要驱动力)的交界处更容易发生球化现象。研究成果有助于指导工艺优化提升选区激光熔化成形件的表面质量。

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。

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。

混合碳四全加氢镍系催化剂的制备与性能评价

使用共沉淀法和挤条成型工艺小试制备了混合碳四全加氢镍系催化剂,考察了反应压力、体积空速、氢烃体积比等加氢工艺条件对催化剂性能的影响;采用打片成型工艺进行催化剂中试放大制备,并对其性能进行了评价。结果表明:在入口温度为室温,反应压力为2.0 MPa,氢烃体积比为300,进料体积空速为2.0 h^(-1)的优化加氢工艺条件下,小试催化剂可以将混合碳四原料中单烯烃质量分数降低至1.0%以下;与小试催化剂相比,中试放大催化剂堆积密度和径向抗压碎力分别提高73%,302%;中试放大催化剂与进口钯系催化剂在789 h评价周期内的不饱和烃转化率分别为94.26%,89.72%,前者比后者具有更优的低温加氢活性和加氢稳定性。

纳米TiC浓度对双脉冲电沉积Ni-TiC复合镀层结构及性能的影响

研究了镀液中纳米TiC的添加量对双脉冲电沉积Ni-TiC复合镀层结构及性能的影响。通过扫描电镜(SEM)和X射线衍射(XRD)对镀层的表面形貌和物相进行了表征,并研究了镀层的表面粗糙度、显微硬度、耐磨性能和耐腐蚀性能。结果表明:当镀液中TiC浓度较低时,复合镀层表现为类似于纯Ni镀层的胞状沉积结构。当镀液中TiC浓度较高时,复合镀层表现为菜花状沉积结构。当纳米TiC浓度为8 g/L时,镀层表面致密性相对较高,Ni的衍射峰有明显的宽化现象。随着镀液中纳米TiC浓度的升高,复合镀层的磨损质量损失比表现为先下降后上升的趋势,当TiC浓度为8 g/L时,磨损质量损失比最小,为5.436%。当镀液中纳米TiC浓度为8 g/L时,镀层的自腐蚀电流密度最小,极化电阻值最大。结果表明双向脉冲电沉积制备Ni-TiC复合镀层镀液中最佳纳米TiC浓度为8 g/L。

激光冲击诱导应力波对残余应力孔洞形成的影响

目的揭示残余应力孔洞形成的影响机制。方法采用有限元动力学仿真,实现对激光冲击诱导应力波传播过程的捕捉和特性分析。结果在2000 ns以内的光斑作用区域,材料的初始应力仅受到激光冲击诱导Ⅱ类应力波的扰动作用,此扰动作用由光斑中心向外依次减弱,引起的应力波动幅值由2459 MPa降至224 MPa;在其他工艺参数相同的情况下,残余应力孔洞随着峰值压力和脉宽的增加而变得更加明显,应力幅值差σ_(k)分别由0、114 MPa增至454、568 MPa,孔洞直径d_(k)分别由0、0.8 mm增至约1.4 mm,光斑直径的影响相对较弱。在激光能量3 J的作用下,空间高斯分布对应结果存在应力孔洞,σ_(k)、d_(k)分别为190 MPa、1 mm。将空间平顶分布激光能量增至7 J,对应结果由3 J激光能量时的无应力孔洞转变为存在明显应力孔洞,σ_(k)、d_(k)分别为634 MPa、1.4 mm。另外,在激光能量3 J的作用下,材料1的应力孔洞最显著,σ_(k)、d_(k)分别为207 MPa、1.4 mm,均高于材料2和材料3的对应值。凸圆面、平面和凹圆面对应的σ_(k)分别为212、190、83 MPa,d_(k)均为1 mm。结论在圆形光斑激光冲击载荷作用下,加载和卸载过程中形成的应力波在光斑中心的汇聚作用均较强,导致光斑中心区域材料持续出现正反向屈服,进而形成残余应力孔洞;在相同参数条件下,激光能量越高,则材料的力学性能越低,应力波扰动作用越强,应力孔洞现象越明显。