激光熔覆修复15-5PH不锈钢的拉伸性能及组织研究

研究了激光熔覆修复15-5PH沉淀硬化不锈钢激光熔覆修复比例(25%、50%、75%、100%)对其力学性能的影响,以及熔覆修复后试样的断口形貌、金相组织、内部缺陷和显微硬度。研究结果表明,15-5PH不同比例熔覆修复试样的抗拉强度均高于基材,但塑性随着修复比例的增大而降低,在所研究的4种熔覆修复比例的试样中,25%熔覆比例时抗拉强度最高,力学性能最好。熔覆修复冶金组织致密,分为修复区、热影响区和基材区,其中热影响区的组织呈现明显的方向性,晶粒均匀性好,无粗大晶粒,表面和内部无裂纹缺陷,显微硬度从修复区向基材区整体呈上升趋势,在热影响区内出现硬度峰值。熔覆界面的结合力较基体内部的结合力弱,修复试样的断口均呈V字形。     

定向凝固镍基高温合金上激光熔覆Inconel 738的裂纹敏感性研究

针对定向凝固镍基高温合金叶片的强化与修复需求,研究了在定向凝固镍基高温合金基体上激光熔覆Inconel 738的裂纹敏感性问题.在定向凝固镍基高温合金基体上激光熔覆Inconel 738合金对裂纹非常敏感,所产生的裂纹为热裂纹,由定向凝固基体晶界处引发并穿过界面向熔覆层发展;多层熔覆过程中熔覆层间也会产生热裂纹,热裂纹沿晶界纵向扩展.定向凝固高温合金基体晶界处的低熔共晶成为主要的裂纹源.严格控制激光熔覆过程中的热输入量可以显著降低裂纹敏感性.选择适当的熔覆工艺方法和参数可以在定向凝固镍基合金基体上形成良好冶金结合且无裂纹的基本保持定向凝固特性的熔覆层组织.     

2A14 铝合金TIG-FSW交叉接头组织与力学性能

针对6 mm厚2A14铝合金采用先钨极氩弧焊（TIG）后搅拌摩擦焊（FSW）的工艺进行焊接得到TIG-FSW丁字交叉接头。通过对交叉接头进行组织分析,可以发现接头左侧为熔焊区域,上部可见明显气孔缺陷,右侧搅拌摩擦焊接区域呈“碗状”分布,焊缝成形良好;硬度测试结果表明：熔焊区显微硬度值明显低于搅拌摩擦焊接区域,且焊核区右侧硬度值呈现“U”型分布;对交叉接头沿熔焊方向进行拉伸,断裂位置位于M态母材处,断口呈现典型韧性断裂特征。     

2A14铝合金熔焊与搅拌摩擦焊交叉接头组织与力学性能

针对6 mm厚2A14铝合金采用先钨极氩弧焊(TIG)后搅拌摩擦焊(FSW)的工艺进行焊接得到TIG-FSW丁字交叉接头。通过对交叉接头进行组织分析,可以发现接头左侧为熔焊区域,上部可见明显气孔缺陷,右侧搅拌摩擦焊接区域呈"碗状"分布,焊缝成形良好。硬度测试结果表明:熔焊区显微硬度值明显低于搅拌摩擦焊接区域,且焊核区右侧硬度值呈现"U"型分布;对交叉接头沿熔焊方向进行拉伸,断裂位置位于M态母材处,断口呈现典型韧性断裂特征。     

不同填充材料对含Sc和Zr铝合金TIG焊接头组织与性能的影响

对采用不同填充材料获得的含Sc和Zr铝合金钨极氩弧焊(TIG)接头的组织与性能进行研究,优化了试验条件下的焊接工艺参数。拉伸试验表明,采用Al-Mg焊丝和母材焊丝焊接获得接头的抗拉强度明显高于采用Al-Si焊丝和纯Al焊丝获得接头的强度。对接头的微观组织结构分析表明,采用Al-Mg焊丝和母材焊丝获得的接头组织致密、未见有微裂纹和夹渣等缺陷,拉伸断口呈韧性断裂特征,XRD测试发现在接头中含有Al3Sc、Al3Zr和Al3Zr4等强化相,有利于提高接头的强度。     

DZ125定向凝固高温合金氩弧焊修复工艺研究

DZ125合金具有良好的中温、高温综合性能和优异的疲劳性能,被广泛用于燃气轮机工作叶片和导向叶片。针对零件实际使用过程中出现的使役缺陷等问题,介绍了采用钨极氩弧焊(TIG)的方法焊接修复DZ125合金的研究进展。研究结果表明,采用传统焊接材料修复后,热影响区碳化物等位置易于产生热裂纹,焊缝硬度较低。针对上述试验结果,设计开发了一种新型焊接材料,采用此新型焊接材料和恰当的焊接与热处理工艺,可有效避免热影响区裂纹产生,接头微观组织较均匀,1000℃拉伸强度达到母材90%,可以满足DZ125合金使用要求。     

熔焊填充+FSW修补搅拌摩擦焊缝匙孔型缺陷的接头组织性能研究

采用熔焊填充+搅拌摩擦补焊复合工艺成功进行了搅拌摩擦焊缝匙孔型缺陷的修补,焊后对补焊接头的微观组织和力学性能进行了分析。结果表明,焊核区呈细小的再结晶等轴晶粒,热机影响区发生粗化长大,逐渐丧失了原始母材轧制晶粒边界形貌,并残留熔焊柱状晶或树枝状晶粒。第二相析出物粗化长大,呈网状结构分布于热机影响区域。热影响区/热机影响区是整个补焊接头的薄弱环节,拉伸试样亦断裂在该区域。补焊接头断口呈现出韧性断裂与铸态组织脆性断裂的混合断口形貌。     

高温合金叶片的激光熔覆修复技术研究

航空发动机高温合叶片故障件很难修复,采用先进的激光熔覆技术对高温合金叶片进行深度修理具有重要意义。通过采用合适的激光设备、熔覆粉末,并选取合理的熔覆参数以及热处理工艺等,使熔覆粉末在叶片基体上形成有效的熔覆体,该熔覆体的强度和硬度达到叶片材料性能要求,同时也能保证熔覆体与基体的结合强度,完成高温合金叶片的修复。     

AZ31B镁合金TIG焊接头的热碾压力学改性实验研究

为探索镁合金焊接接头的力学性能改性方法,以母材金属同材质丝材为填充材料,对AZ31B板材进行TIG对接焊,然后在高温拉伸试验机上将对接取样用专门制作的陶瓷电加热装置加热至350℃进行接头区域热碾压试验。将焊态及经热碾压的对接焊取样加工成拉伸试样测试其常温力学性能,同时对焊接接头进行金相分析,借助扫描电镜及其附带能谱仪对拉伸断口作微观形貌和微区成分分析。结果表明,经热碾压后,TIG焊接头的抗拉强度可达到母材金属的90%,伸长率也有明显的改善;热碾压可有效改变β-Mg17Al12析出相在焊缝α-Mg基体组织晶界的连续网状分布态,使其重新固溶后在晶内以弥散质点态析出进而造成弥散强化效应;同时热碾压又能促使铸态焊缝发生动态再结晶从而使微观组织得以重构及细化。     

钛合金表面缺陷的激光熔覆修复研究

采用激光熔覆方法对钛合金试样表面缺陷进行修复,对修复结果进行反复测试,并与氩弧焊修复进行对比试验。试验结果表明,激光熔覆可实现对钛合金表面缺陷的有效修复,且各方面性能远高于氩弧焊修复。     

K418激光熔覆NiCrWMo组织及耐磨性研究

为研究修复某航空叶片,采用Nb：YAG激光在K418镍基高温合金表面熔覆NiCrWMo涂层。分析了熔覆层组织,测试了熔覆层硬度。结果表明：采用自配的镍基合金粉末,在工艺参数为电流160 A、脉宽8 ms、频率4 Hz时,用激光熔覆能够实现对K418镍基高温合金损伤结构的修复,获得了表面平整、连续,微观组织细密、均匀,与基体呈良好冶金结合,硬度高于基体,无缺陷的熔覆层。     

镍基单晶材料皮秒级超短脉冲激光气膜孔加工表面完整性研究

利用皮秒超短脉冲激光加工镍基单晶材料气膜孔,采用物理超景深显微镜对气膜孔成型几何形貌进行判定,采用金相显微镜对气膜孔内腔表面组织进行观测,采用高温低周疲劳设备对皮秒超短脉冲激光和电火花两种工艺加工出的气膜孔试样进行性能对比验证,采用扫描电镜对性能试样断口进行分析。结果表明:采用皮秒超短脉冲激光分步加工气膜孔,通过有效控制能量密度,可实现气膜孔进出口表面无烧蚀,几何精度满足设计指标,内腔无重熔层、断续小珠、起弧及微裂纹等缺陷,有效提升了气膜孔加工的表面完整性;通过皮秒超短脉冲激光及电火花气膜孔加工试样高温低周疲劳性能对比试验,皮秒超短脉冲激光制孔试样循环次数是电火花制孔试样的3倍;通过对两种工艺制孔高温低周疲劳断裂后试样进行扫描电镜断口分析,两种工艺加工试样断裂均为解理断裂,无材质冶金缺陷,电火花打孔形成的重熔层可能对断裂有贡献,超短脉冲激光打孔未见明显重熔层。     

涡轮叶片小尺寸试样取样及高温疲劳试验夹持方法

针对服役涡轮叶片的疲劳性能及寿命评估问题,发展了一种适用于含薄壁和内冷通道等复杂结构特征涡轮叶片的小尺 寸试样取样技术及小试样的高温疲劳试验夹持方法。应用该方法对不同大修间隔的某型航空发动机第1级高压转子涡轮叶片进 行了取样,对叶片取样小尺寸试样在850 ℃下开展疲劳试验。试验结果表明：所发展的复杂构型涡轮叶片取样技术和小尺寸试样 高温疲劳夹持方法能够有效应用于该型服役发动机高压涡轮叶片的取样疲劳性能试验;真实服役的涡轮叶片小试样的疲劳性能 与标准热处理状态合金的相比出现了劣化,并且随着服役时间的延长劣化程度加剧,寿命降缩短例最大超过90%;服役涡轮叶片 取样小试样的疲劳裂纹主要萌生于表面和亚表面的缺陷,共晶组织和碳化物是服役涡轮叶片裂纹萌生的危险位置。     

喷丸对DZ4 合金旋转弯曲疲劳断裂特征的影响

对喷丸前后DZ4高温合金旋转弯曲高周疲劳断口的断裂特征进行了观察.结果表明,室温和高温(820℃)时,未喷丸的DZ4合金高周疲劳裂纹均萌生于试样表面以及与表面相连的铸造缺陷或碳化物处.Kt=1时,疲劳断口为点源,源区存在滑移平面和滑移台阶;随着应力集中水平的升高(Kt=2,Kt=3),疲劳断口向多源和线源发展,源区滑移面变小甚至消失;随着温度的升高,断口源区滑移特征明显.喷丸后,疲劳裂纹源内移,裂纹萌生于试样次表面的晶体内部或铸造缺陷处.带缺口试样裂纹源减少,起源区域缩小,出现明显的主、次疲劳源.实验证明,喷丸可降低DZ4合金表面和缺口敏感性,对裂纹萌生有抑制作用,可提高材料的疲劳性能,随着温度升高,喷丸的强化作用逐渐减弱,但在820℃仍有强化作用.     

激光熔覆工艺的应用

激光熔覆具有广阔的发展前景,潜力很大,经济效益可观,引起国内外广泛的关注,并投入人才物力进行研究。 航空发动机钛合金和镍基合金摩擦副的接触磨损是发动机使用和维修中的一大难题,利用激光熔覆技术则可获得优良的涂层,为燃气涡轮发动机零件的修复开创了一个新途径。该工作研究了激光表面熔覆高温耐磨涂层的激光喷涂技术,在DZ4合金基体上,喷涂CoCrW合金粉末和WC粉末的机械混合物,厚度为0.3mm,提高了高温耐磨及抗腐蚀性能,对镍基合金制造的航空发动机涡轮叶片,利用激光熔覆技术熔覆钴基合金,提高了耐热耐磨性能,与热喷镀等方法相比,缩短了涂层制备的时间,质量稳定,且消除了由热影响可     

钛合金精密脉冲TIG焊的工艺研究

为了提高焊接工艺对尺寸超大和形状复杂的钛合金结构的适应性,提出精密脉冲TIG焊工艺方法,分别将其焊接结构件的拉伸性能、断口类型、硬度分布和金相组织与传统真空充氩TIG焊进行对比分析,结果表明精密脉冲TIG焊在焊缝区组织致密性、微观硬度等方面优于真空充氩TIG焊。     

铝锂合金搅拌摩擦焊搭接接头组织及力学性能

采用搅拌摩擦焊对2mm厚不同铝锂合金进行搭接,并对接头的组织和力学性能进行分析。同时研究了焊接工艺参数、热处理状态对接头性能的影响。研究表明:搭接接头焊核区呈"洋葱环"结构,由细小的等轴晶组织构成;前进侧搭接界面有"钩状"缺陷,对接头力学性能产生不良影响。搭接接头的塑性较差,伸长率仅有3.18%,不及母材伸长率的25%;当转速为800r/min、焊速为200mm/min时,接头的强塑性最佳,抗拉强度达到467MPa(母材的94%);热处理对搅拌摩擦焊焊接头力学性能影响显著,经过人工时效后,接头强度提高了13%～18%,抗拉强度最高达到526MPa,伸长率都有所下降。断口形貌分析表明:接头拉伸断裂是从前进侧的"钩状"缺陷起裂;接头拉伸断口为准解理和韧窝断裂的复合断口。     

高压涡轮叶片叶尖裂纹激光焊修复研究

在修理某发动机时,发现很多高压涡轮叶片叶尖出现超出使用技术条件规定的裂纹,导致大量叶片报废,分析认为裂纹的产生是"钉扎效应"的结果,而且是先腐蚀后开裂的。为修复这些高压涡轮叶片,缩短发动机修理周期、降低修理成本,采用高钨、锰含量的镍基超合金作为补焊材料,同时采用固体激光脉冲焊接的工艺方法对产生叶尖裂纹的高压涡轮叶片进行了修复。修复后的高压涡轮叶片经去除应力、热处理等工序步骤后,通过了热冲击试验、整机试车考核和装机使用,说明采用该种修理工艺修复的高压涡轮叶片可以满足装机使用要求。     

GH4169合金自然萌生小裂纹扩展行为的试验研究

为了研究镍基GH4169高温合金自然萌生小裂纹的扩展行为,采用单边缺口拉伸(SENT)试样进行了室温下应力比R=0.1,0.5的小裂纹扩展试验。在长裂纹近门槛值区域,观察到明显的小裂纹效应,疲劳小裂纹扩展寿命占全寿命的大部分。利用扫描电子显微镜(SEM)和能谱分析仪(EDS)对试样断口表面进行微观分析,结果表明,疲劳小裂纹起始于合金中的夹杂(Ti(C,N)或Nb(C,N)),并且倾向于以半圆形向试样内部扩展。试样的断裂模式存在由晶体学小平面断裂向疲劳条带断裂的转变,该断裂模式转变处对应小裂纹扩展速率曲线上裂纹加速扩展前的急速降低点。     

DD6镍基单晶涡轮转子叶片失效分析

为了排除某航空发动机DD6镍基单晶高温合金涡轮转子叶片在室温振动试验中发生的裂纹故障,对故障叶片进行了外观检查、断口分析、表面检查、解剖检查、化学成分分析、金相检查、应力分布计算及热模拟试验,确定了故障叶片裂纹的性质和产生原因.结果表明:涡轮转子叶片裂纹为高周疲劳裂纹,叶片局部区域存在异常的γ'筏排组织是导致该叶片产生早期疲劳开裂的主要原因,且附近区域腐蚀过重及结构上处于应力集中区,也促进了疲劳裂纹的萌生及扩展.针对这些故障,建议优化叶片结构并对腐蚀检查进行严格监控,防止出现γ’筏排组织及腐蚀过重现象,从而避免此类故障再次发生.