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。

基于EBM增材制造CoNi基高温合金组织与力学性能

增材制造技术为发展高性能高温合金材料及部件提供了新的途径。本工作开发一种适于增材制造工艺条件的γ′相强化CoNi基高温合金,并结合电子束熔化(electron beam melting,EBM)技术的工艺参数优化,制备出无裂纹的合金块体材料。结果表明:扫描速度为2000 mm/s时,合金孔隙率最低,约为0.14%;打印态CoNi基合金显微组织为沿<001>方向生长的柱状晶粒,平均晶粒宽度约为235μm,γ′相体积分数约为30%;经过热等静压及固溶时效处理后,孔隙率进一步降低至约0.09%,柱状晶粒基本没有变化;γ′相的平均尺寸为(70±18)nm,体积分数为(32±3.6)%。室温拉伸实验结果表明,增材制造γʹ相强化CoNi基高温合金展示出优异的强塑性配合,展示出良好的工业应用前景。

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。

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。

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。

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。

基于选区激光熔化镍基单晶高温合金的修复

选区激光熔化技术光斑和热影响区小,成形精度高,可对镍基单晶高温合金叶片进行有效的修复以延长使用寿命。本工作选用了一种具有中等体积分数γ′相的合金粉末,研究了在单晶CM247LC基板上进行外延生长过程中该合金粉末的显微组织演变规律以及力学性能。结果表明:修复界面的熔池宽深比大于4时,沉积区与基体能形成良好的结合界面以及较小的晶粒取向差。通过增大扫描速率和降低激光功率可以有效减小沉积区裂纹密度,沉积组织以沿沉积方向生长的柱状枝晶为主,沉积层越高,冷却速率越小,枝晶间距和晶粒取向差越大。通过打印参数优化,最终得到了裂纹密度低、晶粒取向单一、且与单晶基板结合优异的镍基单晶高温合金沉积层,其抗拉强度为1094 MPa,伸长率为21%。

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。

双轮廓参数对LPBF制备镍基高温合金表面成形的影响

激光粉末床熔融(laser powder bed fusion,LPBF)增材制造技术广泛用于航空航天领域复杂结构的镍基高温合金零件的一体化制造,但是其粗糙度问题限制了该项技术的应用.基于此,通过采用双轮廓扫描策略优化表面成形质量,并研究轮廓参数的热输入对表面成形质量及微观组织、显微硬度的影响.结果表明,上表面粗糙度Sa随上轮廓参数的热输入增加逐渐降低,并在功率为220 W,扫描速度为0.1 m/s时粗糙度Sa达到3.1μm最优值,但在高热输入时近表面会形成匙孔诱发的孔洞缺陷,因此表面粗糙度优化需折衷考虑近表面孔洞缺陷;此外,双轮廓参数的热输入与下表面粗糙度之间没有明显的相关性.不同轮廓参数下制备的样品下表面粗糙度Sa在13.5~16.5μm之间;轮廓参数的单向扫描策略导致了粗大柱状晶粒的形成,并且随着热输入的增加,上层轮廓层的显微硬度显著增加。

长时热暴露对镍铁基高温合金GH2070P组织和性能的影响

对650℃参数锅炉用关键候选材料GH2070P镍铁基高温合金管在675℃进行1000、3000 h和5000 h的高温热暴露试验,对合金热暴露后的力学性能和微观组织演变情况进行分析。分析发现,GH2070P合金管在675℃高温热暴露1000 h后,晶内析出γ′相析出物,晶界析出M23C6型碳化物,合金室温拉伸强度、屈服强度和硬度明显增高,冲击韧性下降;随着热暴露时间继续增加至5000 h,γ′相尺寸发生粗化,γ′相的粗化符合LSW粗化理论,M23C6型碳化物尺寸略有增加,但仍断续分布在晶界处,未形成网状结构,合金室温拉伸强度、屈服强度和硬度稳定保持在较高的水平,冲击韧性下降速度减缓。

超声振动对激光修复镍基高温合金晶粒特征及其缺陷的影响

目的研究超声振动对激光修复镍基高温合金梯形槽修复区显微组织及力学性能的影响,为实现高温合金的高质量激光增材修复提供参考。方法以镍基高温合金为基体和修复材料,并将超声振动引入激光增材修复过程中。采用光学显微镜,对比分析有无超声振动时梯形槽修复区的显微组织结构;采用电子背散射衍射(EBSD)、扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)等设备,表征不同超声功率下梯形槽修复区的晶粒取向、析出相分布和元素组成;结合试验研究与机理分析,揭示超声振动对修复区晶粒特征和缺陷的影响规律。结果超声振动减少了梯形槽修复区底角的缺陷,修复区一次枝晶间距平均值由6.74μm减至3.38μm,晶粒平均尺寸由58.4μm降至50.2μm,等轴晶占比由46.6%增至63.4%,Laves相析出含量减少。当超声功率为4000 W时,梯形槽修复区的平均显微硬度为256.2HV0.2,相较于无超声振动时提高了17.7HV0.2。结论在超声振动作用下,梯形槽底角的熔合不良缺陷得到抑制,一次枝晶间距减小,长条状Laves相转变为颗粒状Laves相,且随着超声功率的增大,梯形槽修复区的平均显微硬度逐渐增大。

镍基单晶高温合金γ基体相通道研究

镍基单晶合金在高温下具备良好的力学性能,是航空航天及核能领域的关键材料。通过对铸态、力加载及热处理状态的变化研究了第三代镍基单晶高温合金DD10的γ基体相通道演化,并对铸态样品利用四圆中子衍射做了单晶性检测。结果表明,DD10在[200]、[020]、[002]晶面的单晶性能良好;经力加载和热处理后γ基体相通道有序性增加,通道宽度增加,且在力加载的γ基体相通道中析出二次沉淀强化相;900℃热处理后,γ基体相通道中的Co、Cr元素含量显著增加,在相同的竖直通道中Co元素含量一致;在相同的水平通道中Cr元素含量则保持一致;Mo、Re、W等微量元素经热处理后更多的从γ基体相通道中进入到沉淀强化相中。

固溶工艺对镍基单晶高温合金初熔温度的影响

固溶处理是消除镍基单晶高温合金凝固偏析的重要手段,而进行固溶处理的前提是具备合适的固溶窗口。随合金的发展,固溶窗口逐渐变窄,从而加大了固溶处理的难度。由于固溶窗口为动态窗口,其上限的初熔温度会随合金内部γ′相及共晶的溶解而提高,因此开展固溶工艺对合金初熔温度影响机制的研究具有重要意义。然而,目前缺乏不同固溶工艺对合金初熔温度影响机制及作用机理的相关研究。本文采用电子显微学为研究手段,对比研究了阶段式和连续式固溶处理对初熔温度的影响规律。研究发现,固溶处理会促进合金的均匀化行为,而均匀化程度随固溶工艺中高温下保温时间的延长而增加;均匀化效果越好的样品,其初熔温度提升更大,但是均匀化效果越好的合金内部也存在较多由“柯肯达尔效应”所诱发形成的固溶微孔。

镍基高温合金SLM过程中熔池内的微观结构演变数值模拟

采用有限元耦合相场的方法研究IN718高温合金在激光选区熔化过程中熔池内的竞争性生长和晶粒/枝晶结构的演变。通过有限元解决热演化问题,然后将结果输入相场模型,相场模拟涉及晶粒成核、晶粒外延生长和晶粒竞争的微观结构演变。基于对熔池横向和纵向截面微观结构演变的分析,讨论SLM过程中枝晶竞争性生长的机制,并量化计算熔池中溶质元素Nb的浓度分布。结果表明,枝晶竞争性生长受温度梯度和晶体学取向的影响,具有高错配角(>22.5°)的不利取向晶粒将很快被有利取向晶粒淘汰。

镍基高温合金反重力铸造压力曲线设计与验证

针对镍基高温合金反重力铸造工艺中传统压力曲线设计方法的不足,充分考虑铸件沿充型方向的变截面结构特征,通过CAD软件的二次开发,实现铸件截面积的自动计算,以定量化描述铸件的截面变化特征。基于伯努利方程和流量守恒方程,推导出充型压力与金属液面上升速度之间的关系,提出基于铸件截面积自动计算的新型压力曲线设计方法。在此基础上,对镍基高温合金铸件的反重力铸造过程进行数值分析。充型模拟结果表明:与传统压力曲线设计方法相比,新型设计方法确定的压力曲线能使最小截面处充型速度峰值由0.611 m/s降至0.439 m/s,降幅达28.15%,有效避免金属液震荡和飞溅;同时可缩短充型时间,确保金属液快速平稳充型。水力学实验和浇注实验表明,新型压力曲线的充型液面更平稳,能有效抑制铸造缺陷,证明新型压力曲线设计方法的有效性,为合理设计反重力压力曲线提供依据。

协同Orowan绕过和攀移机制的镍基高温合金蠕变新模型

提出一种用于准确便捷预测析出相增强镍基高温合金稳态蠕变速率的蠕变新模型。基于析出相的空间分布,采用概率依赖的方法将位错-析出相交互作用中Orowan绕过和位错攀移机制的协同模式耦合到新的蠕变模型中。结果表明,新模型预测的稳态蠕变速率与实验数据吻合很好。此外,当前模型不再依赖于可调参数;同时,确定了阈值应力与温度的定量关系。这项工作为蠕变变形过程中位错-析出相交互作用提供新思路,并为设计具有更优异蠕变性能的析出强化合金提供有效模型。

NiCoCrAlYTa粘结层与镍基高温合金基体的界面高温互扩散行为

采用真空等离子体喷涂技术(vacuum plasma spraying,VPS)在镍基高温合金GH3128基体表面沉积NiCoCrAlYTa粘结层,并在1100℃进行不同时间的热处理。采用扫描电子显微镜(scanning electron microscopy,SEM)、能谱仪(energy dispersive spectrometer,EDS)等分析NiCoCrAlYTa粘结层与GH3128高温合金界面元素的互扩散行为。结果表明,在热处理过程中,互扩散区(interdiffusion zone,IDZ)和二次反应区(secondary reaction zone,SRZ)的厚度随着热处理时间延长而增大,且在SRZ中明显观察到拓扑密堆(topological close-packed,TCP)相晶粒的生长。Al、Ta、Co元素由NiCoCrAlYTa粘结层向GH3128高温合金扩散,Ni、W、Mo元素由GH3128高温合金向NiCoCrAlYTa粘结层扩散。依据EDS检测的粘结层/基体界面处元素成分,计算出上述元素在界面处的扩散系数,掌握了各元素在高温热处理过程中的扩散速率,揭示了VPS制备的NiCoCrAlYTa粘结层与GH3128高温合金界面处元素在高温下的互扩散规律。

不同取向镍基单晶高温合金650℃原位拉伸

镍基单晶高温合金作为飞机涡轮发动机叶片的主要使用材料,其在服役过程中受到各向应力作用产生变形导致材料失效,因此本文基于课题组自主研发的原位拉伸设备对[140]取向、[340]取向、[122]取向的镍基单晶高温样品进行了650℃原位拉伸。其中[140]取向样品在屈服阶段后样品硬化到塑性变形后期出现了幅度较小的应力下降,最后样品在应力作用下滑移迹线所在的基体发生开裂,裂纹沿着滑移迹线所在方向扩展至样品断裂。[340]取向样品在整个塑性变形阶段,样品的应力持续下降,孔洞缺陷处形成缺陷导致材料失效。[122]取向样品一直处于硬化阶段,到塑性变形后期样品出现了应力的下降,跟[340]取向样品失效方式相同,孔洞开裂形成裂纹源导致材料失效。本文针对三种取向样品的力学性能,塑性变形过程中的滑移情况以及对应的施密特因子变化、样品失效的方式进行了分析,对合金在真实服役过程中提高其服役寿命具有重要意义。

激光增材制造沉淀强化镍基高温合金热裂纹研究进展

针对沉淀强化镍基高温合金中的裂纹现象,对比了2类热裂纹(即凝固裂纹和液化裂纹)的典型特征、形成位置和条件。从枝晶生长、元素偏析、强化相析出、固态相变和残余应力应变等角度,系统综述了热裂纹的形成机理和热裂纹敏感性影响因素。在此基础上,从合金成分调控、工艺参数优化、基板预热以及热等静压处理等方面,概述了增材制造高温合金热裂纹调控和抑制的主要措施。最后,针对激光增材制造沉淀强化镍基高温合金热裂纹研究中存在的问题,提出了进一步研究和发展的建议,为实现无裂纹镍基高温合金的增材制造提供了参考。