高温合金的高速定向结晶

本文论述了高温合金定向结晶工艺的发展方向及对定向结晶装置进行的研究和改进。研究结果表明,所研制的定向结晶装置可使高温合金的结晶速度达到4～8mm/min(一般定向结晶)和16～80mm/min(液体金属冷却的高速定向结晶)。高速定向结晶工艺可显著提高铸件的主要使用性能及铸件生产率。     

超洁净环境中三维非晶态凝固研究

采用超洁净环境对 Zr₄₁ Ti₁₄ Ni₁₀Cu_12.5 Be_22.5 合金进行电弧熔炼,在 1 0 0～ 1 50 K/s的慢速冷却条件下,成功地制备出厚度大于 1 0 mm的非晶合金。这是一种在超洁净环境中的部分无容器凝固,可以获得较大过冷度。随着熔炼过程中氧含量的增多,由于合金表面被氧化,氧化物作为异质晶核强烈促使液态合金结晶。利用红外测温方法快速检测了合金在凝固过程中非晶的形成。通过分析润湿角因子 f(θ)对合金形核与结晶过程的影响,获得了非晶态凝固所需临界冷却速率 Rc 与润湿角θ之间的关系。     

镍基单晶高温合金DD11杂晶形成的过冷度时间判定

以第二代镍基单晶高温合金DD11为研究对象,参照工程单晶铸件横向突变结构设计平台试样进行浇注及定向凝固实验。采用光学显微镜(OM)观察平台晶体组成及其形貌特征,并借助差热分析法(DSC)研究DD11合金的过冷效应。以过冷度时间(ΔT/v)判定杂晶形成条件,探讨平台尺寸、空间位置及抽拉速率对杂晶形成倾向性的影响机制,并研究定向凝固过程中的杂晶形成规律。结果表明,当抽拉速率为2mm/min时,外侧平台长度从8mm到26mm均未形成杂晶,而内侧平台尺寸超过18mm时开始形成杂晶,表明较大的平台试样长度和内侧位置会增加杂晶形成的倾向性。随着抽拉速率提高到6mm/min,不同尺寸的外侧平台均形成杂晶,内侧平台则在尺寸大于12mm后出现杂晶,表明增加抽拉速率均提高内外侧平台试样的杂晶形成倾向。与内侧平台试样相比,抽拉速率对外侧平台试样形成杂晶的影响更显著。平台尺寸、空间位置及抽拉速率影响了定向凝固过程中的环境温度和冷却速率,其通过产生较小过冷度时间(ΔT/v)从而增加了杂晶形成的倾向性。     

TC21钛合金慢速冷却过程中的相组成及组织演化

采用X射线衍射、金相显微镜和扫描电镜研究了TC21合金自β相区慢速冷却过程中相组成及微观组织变化。结果表明:慢速冷却过程中,TC21合金主要的相转变为β→α,且有少量金属间化合物,如Ti2AlNb(O)相和Ti2AlNb(B2)相析出;以1℃/min速率冷却过程中,α相在晶界形核,并向晶内长大,晶粒内部没有形核,形成全片层组织,以5℃/min速率冷却过程中,晶界与晶内均形核,并竞争生长,形成有少量网篮状形貌的片层组织;冷却速率对合金室温态组织特征(α片层厚度、α集束大小、α片层体积分数)的影响很大,随着冷却速率的增大,α片层厚度、α集束、α片层体积分数均减小。     

低膨胀高温合金焊缝金属凝固行为的模拟预测

为研究低膨胀高温合金的焊缝结晶裂纹倾向,利用改进的M F模型进行焊接凝固过程溶质再分布的模拟。自行编制了QBasic程序,利用该程序计算了三种低膨胀高温合金焊缝的凝固反应顺序和形成共晶组分的种类与数量。结果表明,GH903和GH907合金在初始凝固后首先发生L→(γ NbC)共晶反应,然后以次共晶反应L→(γ Laves)结束凝固,最终凝固组分由γ/NbC和γ/Laves两类共晶组分构成。而GH909合金在初始凝固后只发生L→(γ Laves)反应,且最终γ/Laves共晶生成量大,因此结晶裂纹敏感性高于GH903和GH907合金。改变碳含量能够影响GH909合金的凝固路径,但是仅靠提高碳含量改善焊接性的作用有限。     

Ti-46Al-6(Cr,Nb,Si,B)合金高温变形特性研究

采用Thermecmaster-Z型热压缩试验机,在900~1250℃温度范围内、和10-3~1s-1应变速率条件下对铸态和挤压态Til-46Al-6(Cr,Nb,Si,B)at%合金(以下简称G4合金)进行了热压缩模拟试验,建立了两种状态下G4合金的加工图.并以加工图为基础,结合组织观察,研究了高温下该合金的变形特性.结果表明:G4合金的高温变形性能受温度和应变速率强烈影响,并呈现不同特征;流变应力随变形温度升高而减小,随应变速率增大而增大;挤压态G4合金具有比铸态G4合金更好的稳定流变能力和更宽的可热加工窗口;动态再结晶(DRX)是导致G4合金流变软化和稳定流变的主要原因;铸态G4合金的最佳变形温度为1150~1200℃,应变速率为10-2.5～10-3s-1,挤压态G4合金的最佳变形温度为1050~1150℃,应变速率为10-1.5~10-2.5s-1;G4合金的主要失效模式包括表面开裂、局部流动和楔形开裂.     

凝固冷速对铸造镍基高温合金K417G显微组织的影响

对铸造镍基高温合金K417G进行了不同冷却速率的凝固试验,并对凝固后的试样进行了光学金相和定量金相分析,研究了凝固冷速对合金显微组织的影响,通过线性回归的方法确定了平均枝晶间距与凝固冷速的关系.结果表明:凝固冷速增大明显细化树枝晶、MC碳化物和(γ γ′)共晶.冷速对MC碳化物的量影响不大,但对(γ γ′)共晶量有明显影响,过快和过慢的冷速都能引起(γ γ′)共晶量增加.K417G合金的平均枝晶间距(λ/μm)与凝固时冷速(V/℃·s-1)存在λ=85.1V-0.35的对应关系,根据该关系式可以通过测量铸件不同部位的平均枝晶大小确定该部位凝固时的冷却速率.     

过冷水滴凝固机理及凝固组织特征

针对飞机过冷水滴结冰的精细化预测需求，基于相变热力学与相变动力学相关理论，采用示差扫描量热法（DSC）、结冰风洞试验及微结构测试相结合的方法，研究了过冷水滴凝固过程的热力学机理及凝固组织特征。基于示差扫描量热法，研究了冷却速率及形核条件对结晶凝固特性的影响规律；基于结冰风洞试验开展了不同温度条件下冰相的宏观形貌及微结构特征研究。结果表明，过冷条件及冷却速率是影响过冷水滴结晶速率及结晶完善程度的重要因素。降温速率越大，结晶速率常数增大、结晶速率相应提高。同时，结晶峰变宽，结晶初始温度向低温方向移动，过冷效应相对显著；反之亦然。过冷度及冷却速率对冰相的宏观及微观形貌均有着重要影响。过冷度越大则相同时间内冷却速率越大，晶体生长过程越不充分，晶体不规则程度相对较高，同时晶粒密度变大、尺度变小，冰相表观透明度相对降低；反之，过冷度越小，则晶粒密度变小、尺度变大，冰相表观透明度相对较高。异相形核条件对加速结晶过程有重要促进作用，晶种的存在可有效加速二次结晶的触发，使过冷效应显著减弱。相关研究可为飞机结冰速率、冰相物理特征及冰形宏观形貌的精细化预测提供参考。     

宽变冷速对定向凝固合金枝晶偏析的影响

利用多种定向凝固技术,研究了冷却速率在10~(-2)～10~2K/s范围内变化时对定向凝固钻基高温合金枝晶偏析的影响。结果表明:增大冷却速率可有效抑制枝晶偏析,对易偏析元素其效果更明显;冷却速率的增大细化了凝固组织的一次间距、加剧了溶质的非平衡分凝是抑制偏析的主要原因。     

熔体温度、冷却速率对Al-Fe-V-Si耐热铝合金组织和力学性能的影响

采用OM,XRD检测了不同熔体温度和冷却速度条件下Al-8.5Fe-1.3V-1.7Si (wt%)合金的微观组织结构, 并检测了不同熔体温度下采用粉末冶金工艺制备的该合金室温力学性能.结果表明:熔体温度、冷却速率对该合金组织和性能有着明显的影响.在相同冷却条件下,熔体温度越高所得到合金的组织越细小,获得该合金最高力学性能则存在一个最佳的熔体温度;冷却速度对该合金的主要相组成起决定作用,并结合Al-Fe-V-Si合金的特性提出了该合金的熔炼工艺.     

冷却速率对TC21合金相变行为的影响

采用末端淬火法研究了TC21合金自β相区冷却后冷却速率对合金相变和显微组织的影响,对取自末端淬火试样的不同区域试样进行了OM、XRD、TEM及显微硬度分析。结果表明:冷却速率大于122℃/s时,β相转变形成正交马氏体α″,冷速介于122℃/s和3℃/s之间时,发生块状转变,冷速继续降低,相变由扩散控制,形成两种不同形貌的魏氏体α片层:较平滑的α片层和较曲折的α片层;随冷却速率的降低,合金的显微硬度先增大后降低,冷却速率小于8℃/s后,显微硬度迅速降低。     

冷轧态5B70合金超塑性行为研究

为了探究冷轧态5B70合金超塑性行为,利用高温拉伸试验对冷轧板材在不同参数下的变形规律进行研究。结果表明:在初始应变速率为5×10~(-4)～1×10~(-2) s~(-1)和拉伸温度为450～500℃范围内,冷轧5B70合金板材具有良好的超塑性;500℃为合金的最佳超塑性变形温度,1×10~(-3) s~(-1)为最佳初始应变速率,在最佳超塑性条件下合金的最大延伸率达到了670%,应变速率敏感性指数为0.43;在超塑性变形过程中,由于动态再结晶作用,原始纤维组织逐渐转变为等轴晶,并且晶粒明显细化;合金的超塑性变形是再结晶辅助下晶界滑移为主的变形机理,表现出了明显的晶间断裂特征。     

亚声速涡轮导叶前缘气膜冷却特性实验研究

为了获得亚声速涡轮导叶的前缘气膜冷却特性,在短周期高速风洞中对涡轮导叶前缘后倾扩张型孔气膜冷却试验件进行了实验,获得了涡轮叶片表面在不同主流雷诺数(Re=3.0×10~5～9.0×10~5)、二次流吹风比(M=0.5～2.4)和主流湍流度(Tu=1.3%,14.7%)下的气膜冷却效率和换热系数分布。实验叶片前缘有8排后倾扩张型气膜孔形成前缘喷淋冷却结构。结果表明:叶片前缘和压力面冷却效率随着吹风比的增大而升高,吸力面冷却效率随着吹风比的增大先升高后降低,最佳吹风比为0.8;在主流雷诺数(Re=3.0×10~5～9.0×105),改变雷诺数对叶片表面冷却效率的分布规律影响较小;叶片表面冷却效率随着湍流度的升高而降低,在小吹风比M=0.5下,高主流湍流度下的平均冷却效率降低50%左右,在M=2.4工况下,高湍流度下的平均冷却效率降低10%左右;叶片前缘冷气出流区域和压力面相对弧长为-0.4S/Smax-0.3的冷气重新贴附壁面区域换热系数比较高;高主流湍流度下,换热系数比较小,且吹风比变化对换热系数比的影响较小。     

应变速率和温度对NiAl-30Cr-4Mo 共晶合金拉伸性能的影响

研究了温度和应变速率对NiAl-30Cr-4Mo共晶合金的拉伸性能的影响.研究结果表明在同一应变速率(1.67×10-4/s)下,随着温度的升高,材料的塑性增加;在韧脆转变温度(BDTT)923 K以上,随着应变速率的降低,合金的拉伸断口韧窝密集程度增大,合金塑性断裂的趋势越明显,且屈服强度随应变速率的降低而下降.     

冷却速率对GH4169合金显微组织和持久性能的影响

采用金相显微镜、扫描电镜和物理化学相分析对经时效后两种不同冷却速率的GH4169合金的显微组织和持久性能进行了研究,结果表明:冷却速率的改变,对合金中碳化物的含量和晶粒尺寸没有明显影响,但显著改变了(γ'+γ')相的平均尺寸和δ相的含量;当冷却速率较快时,合金的持久性能较好.     

PTFE/SGM复合材料熔融结晶行为的研究

采用差示扫描量热法(DSC)研究了实心玻璃微珠(Solid Glass Microsplaere)含量对聚四氟乙烯/实心玻璃微珠(PTFE/SGM)复合材料熔融结晶行为的影响,并通过Jeziomy法研究了该复合材料的非等温结晶动力学.结果表明:当SGM含量为15%时,PTFE/SGM复合材料的结晶度达到极大值;SGM对PTFE有异相成核作用,提高了PTFE的结晶速率;SGM含量对PTFE/SGM复合材料的结晶温度没有规律性影响;Jeziorny法可以用于分析PTFE/SGM复合材料的非等温结晶动力学过程;PTFE采取多种结晶机理进行阶段性结晶,而且SGM含量的变化不会改变PTFE的结晶机理.     

含磷IN718合金高应变速率下超塑性变形行为的试验研究

研究了含0.022％磷的IN718合金在高应变速率(5×102～4×10-1s-1)下的超塑性变形行为及机制.在试验条件下,合金的拉伸延伸率均超过100％,具有超塑性变形能力 随应变速率升高,延伸率降低至139％,试样颈缩严重,呈针尖状“点式”断口,断口附近晶粒组织明显细化,并存在与拉伸方向平行的纵向裂纹,碳化物对塑性变形的阻碍作用是裂纹形成的重要原因.当变形速率为5×10-2～10-1s-1时,IN718合金的超塑性变形机制为动态再结晶;当变形速率为2×10-1～4×10-1s-1时,动态再结晶仍为主要变形机制,但孪晶开始形成并起重要的协调变形作用.     

亚声速涡轮导叶全气膜冷却特性实验研究

为了获得亚声速涡轮导叶的全气膜冷却特性,在短周期高速风洞中对全气膜覆盖涡轮导叶实验件进行了实验,获得了涡轮叶片表面在不同主流雷诺数(Re=3.0×10~5～9.0×10~5)、二次流质量流量比(MFR=5.5%～12.5%)和主流湍流度(Tu=1.3%,14.7%)下的气膜冷却效率分布。实验叶片前缘有5排复合角度圆柱形气膜孔形成前缘喷淋冷却结构,压力面和吸力面分别有6排和3排圆柱形气膜孔。结果表明:在本文研究的质量流量比范围内,涡轮叶片压力面和吸力面的气膜冷却效率随着质量流量比的增大而减小,而前缘区域的冷却效率随质量流量比的增大而增大;雷诺数的变化主要影响叶片压力面相对弧长S/Smax-0.6区域的冷却效率分布,在高雷诺数(Re=9.0×10~5)下,大质量流量比的冷却效率最高,而在中低雷诺数(Re=3.0×105,6.4×105)下,小质量流量比的冷却效率最高;叶片前缘气膜冷却效率受主流湍流度升高的影响较小,而在压力面和吸力面冷却效率均随着湍流度的升高而降低。     

聚丙烯/纳米SiO_2复合材料的结晶行为研究

纳米SiO2经过超声波分散后,用硅烷偶联剂和分散剂A组成的复合偶联剂体系进行表面处理,通过熔融共混法与聚丙烯混合制得聚丙烯/纳米SiO2复合材料.通过DSC分析,研究纳米SiO2对聚丙烯结晶行为的影响.研究发现,纳米SiO2在聚丙烯中起到异相成核的作用,使聚丙烯的结晶温度提高,结晶速率增大,微晶尺寸分布减小.非等温结晶动力学研究表明,不同降温速率下的成核机理基本不变.降温速率越快,单位结晶时间达到的相对结晶度越高.     

Hf和Zr在高温材料中作用机理研究

在高温合金中,元素Hf和Zr可以促进γ γ′共晶、MC(2)碳化物、M2SC碳硫化物和Ni5M相的形成,改变草书状MC和M3B2成为块状并且通过净化晶界或枝晶间自由态的S来提高这些薄弱部位的结合强度,从而延迟裂纹的形成和扩展.Hf和Zr可提高铸造高温合金室温拉伸和中温持久的强度和塑性.Hf,Zr抑制次生碳化物M23C6和M6C的生成,从而提高了合金在高温长时热暴露时的显微组织稳定性.Hf,Zr降低合金的初熔温度,Ni5Hf和Ni5Zr相的初熔被认为是Hf,Zr影响初熔的主要原因.通过1150℃/8h的预处理,Ni5Hf以Ni5Hf γ(C)→MC(2) γ反应或者固溶两种方式被消除.元素Hf可以缩小枝晶间失去毛细管补缩能力和固相线之间的温度范围,还能降低枝晶间液池沟通所需的液体量.在凝固后期枝晶间的富Hf熔体具有很好的流动性、浸润性和趋肤效应,这些都是降低合金热裂倾向、提高合金可铸性和焊接性能的有利因素.具有高的化学活性的富Hf液膜容易在铸件表面形成Hf2O薄层.Hf和Zr是钎焊用中间层合金的降熔点元素.根据凝固过程中富Hf,Zr熔体的成分最终发展出Ni-18.6Co-4.5Cr-4.7W-25.6Hf和Ni-10Co-8Cr-4W-13Zr两种中间层合金,使单晶高温合金的无Si、B连接成为现实.还发展出了定向凝固片状Ni3Al/Ni7Hf2共晶合金,成分为Ni-5.8Al-32Hf和Ni-4Al-26Hf-8Cr-4W.Ni-5.8Al-32Hf合金的最佳凝固条件为温度梯度G=250℃·cm-1和凝固生长速率R=5μm·s-1;Ni-4Al-26Hf-8Cr-4W,凝固条件为G=350℃·cm-1和R=1μm·s-1.