层状Ti-Ta二元金属-金属复合材料的疲劳性能研究

二元金属复合材料在航空航天、高端装备等领域具有广阔的应用前景。金属-金属之间的界面通常会对疲劳裂纹的萌生和传播产生影响,但目前关于层状金属-金属复合材料的疲劳性能的研究较为有限。本文通过粉末冶金方法制备一种Ti-Ta金属-金属层状结构复合材料,并进行热变形处理,系统研究了在不同交变应力下的疲劳寿命和断口形貌。结果表明:Ti-Ta金属-金属层状复合材料的疲劳强度为450 MPa,显著高于纯Ti的。在疲劳断口中,Ta区域呈现出明显的疲劳条纹特征,而Ti区域则在疲劳稳定传播区内呈现解理断裂。此外,Ti和Ta区域之间的界面可以抑制裂纹的扩展,并改变裂纹扩展的方向。由于裂纹传播的方向不断变化,疲劳断口表面呈现出一种“阶梯状”的微观结构。本研究为层状金属-金属复合材料的疲劳裂纹扩展提供了一种新的模型。

铣削工艺参数对镍基粉末高温合金650℃低周疲劳寿命的影响

研究了不同铣削工艺对疲劳损伤的影响规律。对采用4种工艺加工的试样进行了650℃高温空气环境下的低周疲劳试验。分别采用粗糙度表征方法、背向散射电子衍射技术和纳米压痕测试以获得试样的表面粗糙度、残余应力和加工硬化。测试结果表明,采用电火花线切割方法加工的试样疲劳寿命最高(平均80360循环),有最低的表面粗糙度(0.226)和残余应力;而钝刀具加工的试样疲劳寿命最低(平均43978循环),相较于电火花线切割试样的疲劳寿命下降了45%。扫描电镜表征结果表明,疲劳裂纹主要由粗大的非再结晶晶粒和加工缺陷引发。铣削加工方法和参数对疲劳损伤程度和疲劳寿命有重要影响。

新型镍基粉末高温合金晶粒长大行为研究

对第四代粉末高温合金FGH4108晶粒长大行为进行研究。结果表明, γ'相在完全溶解温度以下固溶处理时,晶粒长大幅度较小,与初始组织差别不大(锻态,3~4μm);当达到 γ'相完全溶解温度时,晶粒发生明显长大;超过 γ'相完全溶解温度时,晶粒尺寸大幅增加(30~40μm),过固溶的几个温度下晶粒尺寸差别不大;保温初期晶粒尺寸显著增加,一定保温时间后晶粒尺寸不再随时间明显变化。温度和时间对晶粒尺寸的影响都与 γ'相对晶界迁移的阻碍作用有关,根据温度和时间的影响,对传统晶粒长大模型中界面迁移的表观激活能(Q)、时间指数(n)和广义迁移率常数(A_(0))进行修正,构建了新的模型,模型预测值与实验值的决定系数(R^(2))为0.9997,均方误差为0.12μm,预测精度较高,晶粒长大曲线各项特征能被准确预测出来。

我国粉末高温合金的研究现状

简要回顾了我国粉末高温合金的发展历史,概述了FGH95粉末涡轮盘、挡板的生产工艺和研究进展情况,分析了粉末高温合金中存在的缺陷以及质量控制,介绍了粉末高温合金今后的研究方向。

粉末高温合金中原始粉末颗粒边界研究进展

原始粉末颗粒边界(prior particle boundary,PPB)是粉末高温合金(powder metallurgy superalloy,P/M superalloy)中常见的缺陷之一,它是在制粉期间以及热等静压或热挤压前期的加热过程中,在原始粉末表面处析出的一层细小且连续的第二相网膜;这层析出物可能会阻碍粉末颗粒间的扩散与连接,成为了合金中的薄弱界面,严重破坏合金组织,危害其拉伸、冲击等各项力学性能。本文着重介绍了目前针对粉末高温合金中原始粉末颗粒边界的研究进展,重点概述了影响原始粉末颗粒边界的形成因素及消除措施。

保载条件下FGH95材料的疲劳特性及寿命建模

针对FGH95粉末冶金材料进行了650℃时不同保载形式（拉伸保载、压缩保载和拉压保载）的疲劳试验，分析了其变形特征和疲劳寿命分布特征以及保载对疲劳寿命的影响．并据此，为改进保载条件下疲劳寿命的建模，提出了迟滞环位置一形状修正因子的概念，进而得到了一种修正的非弹性应变能～寿命方程．经对该材料疲劳试验寿命的建模和计算分析表明：该方法相比其他几种工程上经常采用的寿命预测方程，较好地解决粉末冶金材料高温保载疲劳时的寿命建模问题，且该方程对试验寿命预测的精度更高，形式简单，具有明显的物理意义．

涂层刀具铣削粉末冶金镍基高温合金试验研究

采用涂层硬质合金刀具进行了粉末冶金镍基高温合金的铣削刀具磨损试验，并运用扫描电镜和能谱分析技术分析了刀具的磨、破损形态和磨损机理．采用多因素正交试验对粉末冶金镍基高温合金的铣削力、刀具寿命进行研究，使用最小二乘法等方法和回归分析建立了铣削力、刀具寿命的经验模型．利用等寿命一效率响应曲面法，对干铣粉末冶金镍基高温合金的切削参数进行了优化．结果表明：粘结磨损和磨粒磨损是主要的磨损机理；在不同的切削速度下刀具失效形式不同；建立的铣削力及刀具寿命经验模型高度显著，进给量对铣削力和刀具寿命的影响显著；干铣加工粉末冶金镍基高温合金理想的切削用量为切削速度40～60m／min、轴向切削深度0．15～0．20mm、径向切削深度10～20mm、每齿进给量0．08～0．10mm．

粉末高温合金缺陷特性及寿命预测方法研究进展和思考

系统分析了国内外在粉末高温合金缺陷特性及寿命预测方法方面的研究进展,如缺陷的来源及对寿命的影响,缺陷对裂纹萌生和扩展的影响,粉末高温合金寿命预测方法和模型。在研究目前国内外寿命预测方法的基础上,结合我国粉末高温合金寿命预测存在的问题,指出必须考虑缺陷特性并对缺陷进行定量表征,建立反映粉末高温合金特点和缺陷特性的寿命预测方法。

FGH96粉末高温合金损伤行为与寿命预测

粉末高温合金中缺陷,尤其是非金属夹杂缺陷不可避免。为了对粉末高温合金的可靠应用,除需在工艺上进行控制以减少缺陷外,还必须研究缺陷对粉末高温合金的损伤行为,及根据粉末高温合金的疲劳特性研究粉末高温合金的寿命预测方法。针对我国先进航空发动机涡轮盘选材的第二代损伤容限型粉末高温合金FGH96,分析了国内外粉末高温合金的发展与应用状况,叙述了其缺陷特性以及缺陷对FGH96粉末高温合金的影响规律,介绍了FGH96粉末高温合金的断裂特征以及裂纹萌生与扩展特性,分析了粉末高温合金寿命预测研究的相关工作,并探索性阐述了基于原始疲劳质量的粉末高温合金寿命预测方法。

粉末冶金涡轮盘简单模拟件低周疲劳寿命研究

采用光滑圆棒试样和带孔平板试样,对不同温度下的镍基粉末高温合金(FGH95)的低周疲劳(LCF)寿命进行了试验研究和有限元分析。在详细分析试验和有限元计算结果的基础上,提出了复杂应力状态下的低周疲劳寿命模型。模型寿命表达为真实应力幅的函数,模型参数由不同应力水平加载作用下的光滑圆棒试样试验结果给定,进一步采用涡轮盘简单模拟件即带孔平板试样对比验证LCF寿命模型的有效性。有限元计算结果显示,理论预测寿命与试验结果能很好地吻合。

基于损伤力学的含夹杂粉末高温合金FGH96低周裂纹萌生寿命预测

研究FGH96粉末高温合金中夹杂物对低周疲劳寿命的影响,提出基于损伤力学理论的低周裂纹萌生寿命预测模型,在建立损伤演化方程后提出损伤表征参数。对含夹杂物和不含夹杂物的粉末高温合金试样在530℃和600℃下进行疲劳试验,并对具有椭圆形、半椭圆形、多边形和条形表面/亚表面夹杂物的试样进行模型验证,然后通过有限元模拟进行应力分析,并计算预测寿命。结果表明,预测寿命和实验寿命之间具有令人满意的一致性。

激光快速成型FGH96高温合金的显微组织及缺陷分析

以激光快速成型FGH96粉末高温合金为研究对象,采用光学及扫描电子显微镜对沉积态与固溶时效后的显微组织结构进行表征,并分析微观组织与缺陷的特征及形成原因;对两种状态试样进行室温拉伸试验,对比二者的力学性能,并采用体式显微镜及扫描电子显微镜对断口进行观察,分析断裂特征。结果显示:激光快速成型FGH96沉积态组织主要为垂直于熔覆界面的柱状晶,晶内为细密树枝晶,碳化物聚集于枝晶间;重熔区内枝晶结构明显粗大,显示为白亮色;激光快速成型FGH96材料中的主要缺陷为微裂纹,沉积态微裂纹存在于枝晶间,并沿晶界扩展;固溶时效后为典型沿晶裂纹;固溶时效后,FGH96中碳化物减少,组织更加均匀,晶粒尺寸减小,力学性能较沉积态有所提高。

粉末冶金颗粒增强铝合金的疲劳性能与寿命预测研究进展

粉末冶金颗粒增强铝合金作为工程构件材料使用时经常处于循环载荷条件下,疲劳破坏现象极为普遍。影响粉末冶金颗粒增强铝合金疲劳性能和疲劳寿命的因素较多,但关于疲劳失效方面的报导较少且缺乏概括性的总结。基于此,主要综述了增强颗粒、基体微观结构、温度和应力比对粉末冶金颗粒增强铝合金疲劳性能的影响。总结了疲劳强度、疲劳裂纹扩展与上述因素之间的关系,并详细阐述了这些因素的影响机制。介绍了颗粒增强复合材料疲劳寿命预测方法。最后展望了粉末冶金颗粒增强铝合金疲劳寿命预测的研究趋势。

基于损伤力学的粉末高温合金FGH96疲劳寿命预测

以粉末高温合金FGH96为研究对象,提出采用损伤力学理论来建立寿命预测模型。对于不同夹杂物特征,粉末高温合金裂纹萌生有不同的表征参量,其数值变化为裂纹萌生的寿命预测提供思路。对粉末高温合金寿命预测的研究现状进行分析,然后利用损伤演变方程建立寿命预测模型;使用有限元软件(ANSYS)分别模拟夹杂物的不同位置、不同尺寸以及不同形状对裂纹萌生的影响,得到相应的损伤参量分布云图。将得到的损伤参量代入计算模型,得到疲劳寿命计算结果,与实验结果进行对比,证明疲劳寿命预测模型的有效性。结果表明:损伤参量Y能较好地表征材料的低周疲劳损伤;在不同的实验条件(温度、应变范围和应变比)下,所建立的粉末合金FGH96疲劳寿命预测模型都能较好地反映夹杂物对粉末高温合金疲劳寿命的影响。

FGH95粉末高温合金裂纹闭合效应及裂纹扩展特性研究

采用有限元方法研究FGH95粉末高温合金标准紧凑拉伸(CT)试样的塑性诱发裂纹闭合效应,分析裂纹面上的应力分布,并考察本构模型,网格密度及应力比对裂纹闭合效应的影响,进而建立考虑裂纹闭合效应下CT试样裂纹扩展寿命分析模型,并进行寿命预测。结果表明:理想弹塑性模型下的裂纹闭合效应对网格单元的敏感性比多线性随动强化模型高;裂纹尖端塑性区内网格数达到20时,裂纹闭合趋于稳定;应力比增加裂纹闭合效应减小,当应力比达到0.5时裂纹闭合效应消失。修正的寿命预测模型对CT试样的预测精度比传统模型更高。

氩气雾化镍基粉末高温合金及粉末特性研究进展

概述了国内外镍基粉末高温合金的发展、氩气雾化制粉技术的特点、氩气雾化镍基高温合金粉末的特性和增材制造用镍基高温合金粉末的发展方向,重点介绍了镍基高温合金粉末的形貌与粒度控制、氧化特性、气体脱附行为和缺陷形成及控制措施。讨论了镍基高温合金粉末特性与合金缺陷之间的内在关系,总结了缺陷消除措施的研究进展,明确了未来粉末涡轮盘用氩气雾化镍基高温合金粉末质量优化的发展方向,并对高品质氩气雾化镍基高温合金粉末促进增材制造技术在航空航天领域的应用进行了展望。

镍基粉末高温合金FGH96应变疲劳行为

对镍基粉末高温合金FGH96在750℃、应变比R=0.05下的应变疲劳循环应力响应曲线、循环应力-应变曲线和应变-寿命曲线进行分析,通过非线性回归拟合,得到基于Manson-Coffin公式及郑公式两种处理模型的应变—寿命曲线及相关参数。结果表明,FGH96合金在实验加载条件下,出现了循环软化—稳定—再软化断裂的应力响应特性,并随着加载应变幅的提高而愈加明显。与Manson-Coffin公式相比,郑公式在宏观预测应变疲劳寿命,尤其是确定材料疲劳极限问题上取得很好的预测效果。

裂纹尖端压缩应力对闭合和扩展特性影响的数值模拟

为了研究FGH97粉末高温合金的塑性诱导裂纹闭合现象,采用有限元方法分析了FGH97紧凑拉伸试样的裂纹扩展和裂纹闭合效应,考察了裂纹尖端单元尺寸、本构模型和节点释放周期对闭合比的影响,提出了修正闭合比和修正有效应力强度因子范围的概念,同时进行了寿命预测并和试验结果进行对比。结果表明:随着裂纹尖端单元尺寸从40μm减小至3μm,闭合比逐渐增大至收敛。各向同性硬化模型的闭合比约为0.51,随动硬化模型的闭合比约为0.44,Chaboche模型的闭合比约为0.48,闭合比的大小可以用裂纹尖端压缩应力区域尺寸反映。随着节点释放间隔周期数的增加,压缩应力区域尺寸和闭合比逐渐降低。裂纹扩展试验结果表明:根据修正有效应力强度因子范围进行寿命预测,与试验结果偏差为3.86%。

粉末高温合金的低周疲劳研究进展

参考了前人对粉末高温合金低周疲劳的研究成果,回顾了基于缺陷的裂纹萌生和扩展的研究情况,介绍了针对粉末高温合金的喷丸强化机理和作用,总结了几种寿命模型,其中修正Mitchell模型最适合粉末高温合金的寿命预测;得出了需加强粉末高温合金低周疲劳寿命模型及喷丸强化研究的结论。

机器学习在高温合金粉末盘构件疲劳寿命预测中的应用

由于制粉的污染、容器材料剥落等原因,采用粉末冶金工艺制备高温合金,不可避免地将引入非金属夹杂物。这些夹杂物的存在严重危害高温合金涡轮盘的力学性能,并可能导致涡轮盘低周疲劳失效。目前,疲劳寿命模型主要是由Manson-Coffin公式发展出来的,均未考虑疲劳过程中弹性模量的变化和合金缺陷特征因素的影响,这些导致预测结果与实际存在较大误差。本文利用机器学习算法建立了涡轮盘低周疲劳循环次数与夹杂物距涡轮盘表面的距离以及夹杂物的尺寸之间的定量预测模型。结果表明,通过支持向量回归、随机森林、梯度提升机、核岭回归和套索回归法等不同模型的计算对比发现,梯度提升树算法能够更好地预测疲劳寿命。