高温合金精密铸造用陶瓷型壳及其与合金界面反应的研究进展

高温合金因优异的高温性能广泛应用于航空发动机和工业燃汽轮机等领域,而制备性能优异的陶瓷型壳是生产精密高温合金铸件的前提。本文归纳了近年来陶瓷型壳制备技术的发展,分别叙述了陶瓷型壳基体材料的选择、黏结剂的影响、纤维材料改性、制备工艺等方面的研究进展以及现存的问题。同时,对于陶瓷型壳与高温合金发生的界面反应进行了分析讨论,总结了界面化学反应机理和润湿性机理,并归纳了陶瓷材料/合金组分元素对界面反应的影响,以及现有研究中存在的不足之处。最后指出基于高温合金精密铸造用陶瓷型壳制备技术未来研究的重点方向。

铝合金T型接头激光+GMAW复合焊残余应力数值分析

目的研究激光+GMAW复合焊中不同激光功率参数对铝合金T型接头残余应力的影响,从而提高焊接性能。方法分别考虑了热弹塑性理论、传热学以及T型接头几何特性,建立了铝合金T型接头激光+电弧复合焊残余应力的数值分析模型。采用双椭球体热源模型表征电弧热输入与熔滴晗,采用锥体热源模型对激光深熔焊进行描述。基于所建立的T型接头模型,使用ANSYS有限元软件对12 mm厚铝合金激光+GMAW焊T型接头残余应力进行模拟计算,并研究其分布特征;使用X射线衍射法对T型接头处的残余应力进行测量从而对所建模型的准确性进行验证。同时,对比了不同激光功率下铝合金T型接头对残余应力的影响规律。结果当激光功率分别为2、3、4、5 kW时,铝合金T型接头路径L3上的纵向残余应力最大值分别为270、263、258、251 MPa,米塞斯-等效应力最大值分别为265、261、257、250 MPa。结论后焊的焊缝A对焊缝B有明显的热处理作用,使应力明显降低;在T型接头焊缝及近缝区,横向残余应力和厚度方向残余应力峰值均比纵向残余应力峰值小,且随着激光功率的增大,焊缝及近缝区拉应力峰值不断减小。

型壳加热温度对单晶高温合金显微组织及“雀斑”形成的影响

利用所设计的阶梯试样进行定向凝固试验和模拟,研究定向凝固过程型壳加热温度对单晶高温合金铸件显微组织和“雀斑”形成的影响。分析糊状区的温度场及形貌。结果表明,升高型壳加热温度,一次和二次枝晶间距减小,糊状区液相的渗透率和对流通道的宽度降低,“雀斑”形成倾向性降低,“雀斑”宽度减小,“雀斑”区域枝晶碎片减少。此外,随着型壳加热温度的升高,糊状区液相冷却速率增加,糊状区熔体的冷却时间减少,液体流动对枝晶的破碎程度得到削弱,这进一步降低单晶高温合金铸件“雀斑”形成的倾向性。

激光-电弧复合增材制造Al-Cu合金T型结构微观组织演变与熔池流动行为分析

在T型结构增材制造过程中,交叉节点处易出现冶金结合不良及重熔缺陷等问题,制约该结构性能的提升。采用激光-电弧复合增材制造技术制备了Al-Cu合金T型结构,对交叉节点处的组织形貌进行了表征,并通过数值模拟分析了节点处熔池内的温度分布以及流动特征。结果表明,在T型结构节点处能够观察到重熔作用所导致的弧形条纹特征,该区域的模拟形貌与实际结果具有良好的一致性;熔池边界处等温线分布较为密集,内部Marangoni对流导致逆时针涡流的形成,最高流速可达0.16 m/s。依据顶层晶粒形态差异,分为顶层节点重熔区(RZI)和顶层热影响区(HAZ)。其中RZI内主要为细小的树枝晶,平均晶粒尺寸相比于HAZ降低了20.8%,内部析出相主要为与α-Al基体呈非共格界面的大尺寸θ(Al_(2)Cu)相;平均显微硬度可达(98.4±6.4)HV_(0.1),相比于未重熔区最高提升约14.0%。

Ti55钛合金双激光焊接T型接头组织与力学性能研究

对1.5⊥1.5 mm的Ti55钛合金T型接头进行了双激光焊接试验,观察了接头的宏观形貌,分析了接头不同区域的组织结构,以及接头的高温拉伸性能和常温剪切性能。结果表明:Ti55钛合金T型接头焊缝表面成形较好,横截面没有焊接缺陷。从接头母材区域到熔合区,接头的晶粒尺寸逐渐增大,β相含量逐渐减少,α与α'相含量逐渐增多。随着拉伸温度的升高,T型接头的抗拉强度逐渐降低,而伸长率逐渐升高。接头去除立筋后的剪切性能比母材高3.3%。

ZL114A铝合金预置石膏型芯熔模精铸工艺探索

铝合金石膏型带有管状回路的精铸件,制蜡模时因抽芯困难常采用预置可溶型芯方法予以解决,但精铸件很容易出现铸瘤、回路堵塞等缺陷,本文对此进行了改进,采用预置石膏型芯,并比较了两种方案浇注效果,结果表明预置石膏型芯确实可行。

高温后铝合金T型连接梁柱节点滞回性能试验研究

为研究高温后铝合金T型连接梁柱节点滞回性能,以温度值、恒温时间为变化参数,设计了4个T型节点试件进行了高温后低周往复加载试验。通过试验观测了T型节点试件的破坏过程,同时获取了试件升温曲线、滞回曲线、骨架曲线、延性指标、承载力及刚度退化曲线等,并由此分析了节点破坏机理、承载能力以及抗震性能。试验结果表明:受到低周往复荷载作用后试件的破坏模式均表现为节点板的弯剪破坏,滞回曲线不饱满;高温后试件极限承载力随着恒温时间的增加而减少;与常温下的铝合金T型节点试件相比,经历高温后的试件刚度退化幅度及延性增加;螺栓滑移可增加试件耗能,但摩擦力在滑移阶段初期对常温试件产生不利影响。

钼含量和均匀化处理冷却方式对β型Ti-Mo合金中点缺陷弛豫的影响

采用真空电弧熔炼制备β型Ti-xMo(x为质量分数/%,3~24)合金,并进行950℃×20 min均匀化处理,随后分别水冷和炉冷至室温,通过内耗测试结合物相和微观结构分析,研究了钼含量和冷却方式对该合金点缺陷弛豫的影响。结果表明:炉冷和水冷Ti-xMo合金中均出现2个Snoek型驰豫峰,炉冷Ti-xMo合金的弛豫峰随钼含量的变化特征与水冷合金相似。2种冷却方式下Ti-xMo合金在加热时的低温峰峰高随钼含量的增加而增大,但峰温几乎不变,峰高的增大与β相和间隙氧原子含量的增多有关;除Ti-3Mo合金外,其余合金高温峰的峰高和峰温都随钼含量增加而增大,峰高和峰温的增大与钼和氧的相互作用增强有关。

近α型高温钛合金起燃机理

采用激光氧浓度实验方法,研究激光功率和氧浓度对近α型高温钛合金(TA19合金)燃烧状态的影响,发现合金的起燃温度随激光功率和氧浓度的增加而降低,在200—325 W的激光功率以及21%—60%的氧体积浓度条件下,TA19合金的起燃温度为W27—1595℃,低于合金熔点.通过组织表征揭示保护性氧化层的失效形式,并结合氧化层应力失效模型分析起燃机理:1520℃以上TiO的高蒸气压特性导致表层TiO_(2)下方形成孔隙缺陷,加速TiO_(2)层的热应力失效;且起燃时需要同时满足临界温度条件和瞬时温度变化率条件.在此基础上,将保护性氧化层失效机理与能量方程结合以构建起燃模型;根据实验数据拟合计算得到TA19合金在起燃阶段的反应激活能约为280 kJ/mol,并得出起燃温度随激光功率和氧浓度变化的函数关系为1.2×10^(10)exp(-280000/RT_(ig))c^(1/2)+0.52R_(L)-315=0.该结果对航空发动机复杂气流条件下的阻燃性能研究及其他类型钛合金的起燃温度预测提供理论参考.

型壳温度对DZ22B合金叶片枝晶组织的影响

以DZ22B镍基高温合金叶片为研究对象,采用ProCAST数值模拟及试验相结合的方法对不同型壳保温温度下铸造叶片定向凝固过程中的温度场、热裂倾向及组织进行研究。结果表明:随着型壳保温温度的增加,等温线整体呈下凹趋势,处于1 540℃温度下的糊状区下凹程度明显大于其他温度,且叶片HTI结果有所增加,容易产生热裂的区域集中在叶身上部,排气边位置容易产生热裂的区域比进气边更大;相同高度位置下的叶片排气边枝晶间距均小于进气边枝晶间距;随型壳保温温度升高,一次枝晶间距和二次枝晶间距均降低,对比模拟结果与试验统计得出的一次枝晶间距和二次枝晶间距,得出一致结论,模拟与试验吻合较好。

Finemet型非晶合金的复杂晶化动力学行为

Finemet型铁基多元合金是目前应用极广泛的纳米晶软磁材料之一。深入认识其形成过程的晶化动力学特性,对更好地调控制备工艺以获得稳定且软磁性能更优的目标纳米晶具有重要意义。为此,通过差示扫描量热仪(Differential scanning calorimeter,DSC)在不同升温速率的条件下研究了Fe_(74)Si_(14.5)B_(7.5)Nb-(3)Cu_(1)(原子分数,%)非晶的非等温晶化行为,首先利用Kissinger-Akahira-Sinose(KAS)、Flyn-Wall-Ozawa(FWO)、Starik和Boswell这几种典型的等转化率法求得Fe_(74)Si_(14.5)B_(7.5)Nb-(3)Cu_(1)合金的晶化过程激活能Eα,之后采用补偿效应法得出指前因子A,从而实现了反应模型f(α)的数值重建和Avrami指数n(α)的求解。结果表明,Fe_(74)Si_(14.5)B_(7.5)Nb-(3)Cu_(1)非晶合金的晶化仅较接近维度扩散的反应机理模型,但不完全符合现有任何理论模型,是一个涉及多个反应模型的复杂反应。晶体形核速率在晶化初期(α<0.2)由增长阶段快速达到降低阶段(n(α)=2.3),而在0.2<α<0.5时缓慢降至零(n(α)=1.5),之后在晶化末期(α>0.5),晶体在已有晶粒的基础上继续长大(n(α)<1.5),整个晶化过程为形核速率持续降低的三维生长。Fe_(74)Si_(14.5)B_(7.5)Nb-(3)Cu_(1)非晶合金的晶化是一个由三维扩散主导的多个晶化机制共同控制、多个反应模型协同参与的复杂过程。

不同变形方式β型Ti-Mo-Fe合金的低周疲劳性能

利用OM,SEM,EBSD和电液伺服疲劳试验机等研究不同塑性变形方式的Ti-10Mo-xFe(x=1,2,3,质量分数/%)合金的低周疲劳性能,分析总应变幅(Δε_(t)/2=0.5%,1.0%和1.5%)和Fe含量对合金力学响应、组织结构和疲劳裂纹扩展行为的影响。结果表明:随着应变幅和Fe含量的增加,合金的低周疲劳性能下降。各合金的循环应力响应行为普遍表现为初始循环硬化,随后趋于循环稳定或轻微的循环软化,直至断裂失效。Ti-10Mo-1Fe合金的塑性变形由{332}〈113〉孪生主导,随着Fe含量的增加,合金的塑性变形方式向位错滑移转变。低应变幅下Ti-10Mo-1Fe合金疲劳源区孪晶数量较少,沿裂纹扩展方向孪晶数量逐渐增加;高应变幅下近断口区域出现大量孪晶。Ti-10Mo-1Fe合金中孪晶的大量产生及交割将晶粒内部分割成网状组织,从而起到细化晶粒的作用,有效释放应力集中并延缓疲劳裂纹的萌生。同时微裂纹扩展至孪晶界附近时发生裂纹偏折,合金中大量的孪晶界有效延长疲劳裂纹扩展路径。

镁合金铸造成型中的数值模拟

以AZ91D镁合金汽车控制臂为研究对象,采用Magma Soft铸造模拟软件对汽车控制臂的挤压铸造成型过程进行数值模拟,包括汽车控制臂浇铸过程中的充型和后期凝固过程,并优化了成型工艺。模拟结果表明,汽车控制臂在充型过程中,在充型达到60%时易于在左侧部位出现易卷气部位而形成气孔、夹渣等缺陷。优化后汽车控制臂的充型过程相对优化前更加平稳,控制臂较薄处以及嵌件处的卷气得到消除,避免了形成气孔、夹渣等缺陷。优化后挤压铸造汽车控制臂的成型质量良好,没有出现浇不足以及凝固补缩等缺陷,整个充型过程平稳,表明采用数值模拟方法对AZ91D镁合金控制臂的成型过程进行模拟优化是可行的,能得到成型质量良好的挤压铸件。

Al_(2)O_(3)型壳与DZ125高温合金的润湿性及界面反应研究

DZ125合金因其优异的性能和较低的成本被广泛用于航空发动机的涡轮叶片。航空发动机涡轮叶片通常由熔模铸造技术制备,而陶瓷型壳是熔模铸造技术的基础和保障。陶瓷型壳与高温合金的润湿性及界面反应是高温合金涡轮叶片表面质量及尺寸精度的重要影响因素。以电熔白刚玉粉、EC95粉和电熔白刚玉砂为原料,以1030C硅溶胶为粘结剂,设计了涡轮叶片定向凝固成型用陶瓷型壳浆料配方,并制备了陶瓷型壳。在研究Al_(2)O_(3)型壳的微观结构和表面粗糙度的基础之上,重点研究了Al_(2)O_(3)型壳与DZ125高温合金的润湿性及界面反应。结果表明,制备的Al_(2)O_(3)型壳具有光滑平整的表面,表面粗糙度达1.973μm;Al_(2)O_(3)型壳对DZ125高温合金具有良好的惰性,两者的润湿角为119.54°;DZ125合金表面发生了轻微的化学粘砂,粘砂层厚度仅约0.5μm,化学反应产物主要为合金元素Ta、Cr、W和Ti的氧化物。Al_(2)O_(3)型壳与DZ125高温合金的界面处化学粘砂被有效抑制的主要原因为Al_(2)O_(3)型壳的光滑平整表面及其对DZ125高温合金展现出良好的不润湿性。

相场法模拟强迫流场对Mg-Gd系合金中海藻晶及其晶型转变的影响

利用相场法模拟了强迫流场作用下Mg-15Gd(质量分数,%)合金中海藻晶生长机制及其晶型转变过程,并定量分析了流速变化对定向凝固过程中海藻晶向树枝晶转变的影响。结果表明:无流场作用下,在抽拉速度为50μm/s时枝晶尖端容易分裂形成海藻晶,而在抽拉速度为90μm/s时发生了海藻晶向树枝晶的转变;引入x方向强迫流场时,流速越大,枝晶向上游方向的生长倾角越大,枝晶尖端继续分裂未发生海藻晶向树枝晶的转变;而引入y方向强迫流场后,流速越大,枝晶生长速度越快、组织越细密,海藻晶向树枝晶的转变提前。

利用褐铁矿型红土镍矿烧结矿制备Fe-Cr-Ni合金

我国是不锈钢第一生产大国,但作为冶炼不锈钢主要原料的镍矿及铬铁矿资源贫乏,占红土镍矿资源总量60%以上的褐铁矿型红土镍矿与低品位铬铁矿愈发受到关注。同时,不锈钢冶炼通常需先分别生产铬铁和镍铁,工艺流程长,生产成本高。因此,本文基于烧结—高炉工艺,利用褐铁矿型红土镍矿烧结矿低成本地一步制备出了Fe-Cr-Ni合金。通过热力学分析及熔炼参数的优化,重点研究了不同Cr_(2)O_(3)含量的含镍烧结矿(S1:4.84 wt%;S3:7.72 wt%)的熔炼特性。在熔炼时间60 min(S1)/90 min (S3)、熔炼温度1600℃、焦粉用量20 wt%、炉渣碱度1.0的最佳条件下,成功制备出了铬品位5.6 wt%~9.3 wt%、镍品位1.55 wt%~1.70 wt%、铁品位84 wt%~88 wt%的Fe-Cr-Ni合金,其铬、镍和铁的回收率分别在90%、98%和96%以上。研究表明,含镍烧结矿Cr_(2)O_(3)含量的提高会造成熔炼时间的延长,这不利于焦比的降低与不锈钢产量的提高。在后续研究中,将开发出由含镍烧结矿与含铬球团矿构成的综合炉料结构,以更有效地实现高铬镍铁的冶炼。

低成本β型钛合金时效组织和力学性能的研究

依据合金设计准则并参考钼当量[Mo]eq及Kβ稳定系数设计了两种低成本的β型钛合金,名义成分Ti-9Mo-4Cr-Fe-4.6Al(1#)和Ti-9Mo-4Cr-Fe-4.6Al-0.3O(2#),研究了该两种合金铸态及不同时效条件下的组织及性能。利用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)及X射线衍射仪(XRD)观察与分析了该合金不同时效态的组织,进行了维氏硬度和压缩性能测试。结果表明:1#和2#合金分别在550℃/8 h及520℃/(2~5)h具有最好的析出效果。性能变化结果为:时效处理后两种合金最高硬度分别为608.83 HV10和650.35 HV10;最好的压缩性能为:1#合金压缩屈服强度和抗压强度分别为1404 MPa和1562 MPa,压缩率为9%;2#合金压缩屈服强度和抗压强度分别为1405 MPa和1561 MPa,压缩率为21%。因此,为了获得良好的塑性,含O钛合金的时效温度应选在520℃。

铁合金型焦耐高温性能研究及市场分析

介绍了基于煤焦炭价格快速提升造成焦炭价格居高不下,铁合金用焦也是水涨船高并且出现供货紧张的情况。为了降低用焦成本,本文根据铁合金用焦炭的各种性能,结合铁合金行业标准,研制出适合规模化生产用的耐高温铁合金型焦产品。通过实验及检测发现,采用焦粉专用黏合剂制备出的型焦产品,冷抗压强度≥150 kg,热抗压强度≥100 kg。型焦粒度均匀、热量、碳、硫含量等完全满足矿热炉用焦指标,该型焦完全可以应用于铁合金规模化生产,可实现焦粉再利用,降低铁合金企业的生产成本。

TC4钛合金T型接头双面双弧MIG焊接特性研究

对30 mm厚TC4面板和15 mm厚TC4腹板构成的T型角焊缝采用双面双弧MIG方法进行焊接,采用高速摄影对熔滴过渡形态进行了观测,采用数值模拟方法对比了单侧焊接和双面双弧焊接的温度分布,并对双面双弧焊接的焊缝成形进行了观测,对焊接接头组织进行了分析,并对接头显微硬度和拉伸性能进行了测试。结果表明:采用双面双弧MIG焊接可以获得成形良好内部无缺陷的焊接接头。焊接熔滴过渡形式为连续的滴状过渡,过渡过程稳定均匀。双侧焊接时,两侧温度场对称分布。接头冶金结合良好,焊缝组织为粗大的柱状晶,晶粒内部为长针状α'、层片状α和块状α相。面板侧热影响区为残余初生α、层片状α和残余β相。腹板侧热影响区为针状α、层片状α和残余β相。腹板和面板侧热影响区的显微硬度均高于母材。焊接接头抗拉强度达到969 MPa以上,断裂位置位于母材。

钛合金T型结构激光电弧复合对称焊接系统设计与分析

钛合金具有优良的耐海水腐蚀性能、高比强度、无磁性等特点,在舰艇建造及海洋工程装备中的应用越来越广泛,T型结构已在舰艇机库、导流罩等船舶部件中广泛引用。针对传统氩弧焊、电弧焊、离子焊等方式的焊接T型结构存在焊接效率低、焊接变形大等问题,设计了钛合金T型结构激光电弧复合对称焊接系统,可以实现T型结构激光电弧复合对称焊接。实验结果表明,当激光功率为12000 W(单侧6000 W),焊接电流为165 A、焊接速度为1.08 m/min、保护气流量为25 L/min时,双侧外观成形良好,焊接接头有效连接,未出现气孔、未熔透等缺陷。