DSM11镍基高温合金表面三种涂层高温性能

DSM11镍基高温合金表面制备Al-Si、Al和Co-Al三种涂层,研究三种涂层在900℃下的涂盐（质量分数为5% NaCl+95% Na₂SO₄）热腐蚀性能和800℃下的疲劳性能。实验结果表明:在900℃热腐蚀200h后,Al-Si涂层和Co-Al涂层表面腐蚀区均形成了以Al₂O₃为主的连续且致密的氧化层,抑制热腐蚀反应的进行,具有一定的抗热腐蚀性能;Al涂层表面腐蚀区形成了混合型氧化层,热腐蚀反应会持续进行,抗热腐蚀性能较差。在800℃的疲劳实验后,Al-Si涂层表面生成大量的微裂纹,涂层容易发生开裂,进而引起合金试样快速断裂;Co-Al涂层和Al涂层的合金试样表现较好的抗高温疲劳性能。在高温合金的防护涂层使用中,要充分考虑到涂层的服役环境,对相关性能进行综合评价,选出最适合的防护涂层。      

表面再结晶层对DZA定向凝固合金低周疲劳性能影响

针对DZ4定向凝固合金表面再结晶层对材料性能的影响进行了低周疲劳实验研究,并通过岛津SEM伺服疲劳试验机进行表面裂纹实时观察跟踪.研究结果表明,表面再结晶层的存在对材料性能明显产生负面作用,低周疲劳寿命大大降低.不同喷丸强度试件在相同的高温退火条件下形成的再结晶具有不同的再结晶形态,高喷丸强度再结晶更加完全,晶界清晰平直,晶粒有长大的趋势.表层再结晶形态也对疲劳寿命的降低程度以及疲劳微裂纹萌生寿命和裂纹密度有较大的影响.较高喷丸强度形成的再结晶层的试件疲劳寿命降低较少,表面微裂纹萌生较晚,裂纹密度也很低.低喷丸强度试件表面微裂纹大量萌生,密度非常高.再结晶层的晶界开裂是导致表面微裂纹大量萌生的根源,从而导致疲劳寿命大幅度降低.     

防护涂层对Ni3Al基合金IC6AE微观组织和抗腐蚀性能的影响

采用料浆法和粉末包埋渗法在Ni3Al基等轴晶合金IC6AE上分别制备了Al-Si和NiCr-CrAl涂层,并对Al-Si和NiCr-CrAl涂层及不加涂层的IC6AE合金三种试样进行900℃/20h,40h,60h,80h,100h的涂盐(5wt%NaCl 95wt%Na2SO4)抗腐蚀性能试验.试验结果表明,与Al-Si涂层试样和无涂层IC6AE合金试样相比,NiCr-CrAl涂层试样表现出最好的抗热腐蚀性能;与无涂层的IC6AE合金试样相比,Al-Si涂层试样的抗腐蚀性没有明显的改善.微观结构分析表明,无涂层的IC6AE合金在900℃时经过几个小时后就遭到了严重的腐蚀破坏.涂盐腐蚀100h后,表面生成了一层主要由Mo,Ni的氧化物组成的多孔无保护性的疏松层.对于Al-Si涂层的试样,900℃/100h腐蚀后试样表面生成了大量Mo,Ni的氧化物,此外还有少量Al2O3及NiAl3相,这些相对样品有一定的保护作用.涂覆NiCr-CrAl涂层的样品经900℃/100h腐蚀后,试样表面主要生成了连续致密的Al2O3及NiAl2O4层,并有少量的Mo,Ni的氧化物,因此对合金有着较好的保护作用,抗腐蚀性能得到了显著改善.     

FGH96粉末涡轮盘结构模拟件疲劳小裂纹扩展试验

为了分析涡轮盘轮缘榫槽等几何不连续部位对疲劳裂纹萌生及小裂纹扩展行为的影响,基于FGH96粉末盘实际构型设计结构特征模拟件,并对其在高温条件下开展自然萌生疲劳小裂纹扩展试验,通过疲劳中断试验和表面复型技术对榫槽和螺栓孔结构模拟件在500℃下的裂纹萌生和小裂纹扩展行为进行了观测和分析。结果表明：2种结构模拟件缺口表面存在多裂纹萌生现象,随着应力水平的降低,裂纹萌生位置由表面晶界转变为近表面特定方向的晶面以及非金属夹杂物处;2种结构模拟件裂纹萌生寿命占比约为36%～73%,且随着应力水平的降低而提高,裂纹扩展至工程可检裂纹尺寸时的寿命占比约为82%～96%,应力水平对其影响相对较小;特征模拟件缺口附近高水平的塑性变形能够导致小裂纹扩展速率分段特征现象消失,并延缓裂纹扩展过程中的合并行为,延长裂纹扩展寿命。     

盐雾腐蚀对热障涂层高温循环氧化性能的影响

利用电子束物理气相沉积法在Ni基高温合金表面制备了(ZrO₂＋MCrAlY)双层结构热障涂层。研究了常温盐雾腐蚀对其循环氧化行为的影响。试验结果表明涂层经过常温盐雾腐蚀后,陶瓷层的裂纹发生扩展,氧化锆晶体挤压、变形,同时由于常温盐雾环境的作用导致涂层在高温氧化过程中粘结层氧化严重,生成的热生长氧化层产生较大的体积膨胀效应,导致应力集中,降低了涂层的高温循环氧化性能,缩短了涂层的寿命。     

含铼单晶高温合金铝化物涂层的高温氧化行为

采用低压气相沉积法,在镍基高温合金DD32上制备铝化物涂层.涂层外层为β-NiAl,内层(扩散层)宽度接近外层,富集Re.在900℃,1000℃氧化500小时后,表面氧化膜为致密的α-Al2O3 和针状的θ-Al2O3,氧化动力学基本符合抛物线规律.氧化后的铝化物涂层外层为β-NiAl,有贫Al的Ni3Al沿晶界析出;内层(扩散层)母体为Ni3Al,并析出块状的富Re和W的化合物.     

20kHz下TC17钛合金超高周疲劳性能研究

应用基于压电超声疲劳试验技术开发的20kHz弯曲疲劳试验系统,完成了室温下TC17合金超高周疲劳试验.结果表明:在疲劳循环大于107周次时,试样仍会发生疲劳断裂,疲劳强度随循环次数的增加而下降,并不存在明显的疲劳极限.TC17合金的应力-寿命(S-N)曲线在107~109周次的范围内为连续下降型.光学显微镜发现,TC17合金的疲劳破坏主要起源于试样表面.当存在夹杂物时,疲劳裂纹从距离表面很近的夹杂物处萌生,能谱分析表明夹杂物的成分主要是铝的氧化物.      

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。     

基于材料微观特性的涡轮盘疲劳裂纹萌生寿命数值仿真

 为了研究材料微观特性对结构疲劳寿命的影响,根据Tanaka-Mura疲劳裂纹萌生寿命计算理论,模拟某镍基粉末合金涡轮盘喉道表面疲劳裂纹萌生寿命。利用泰森多边形生成法,模拟微观多晶结构,建立宏-细观模型相结合的三维仿真模型。实现3项关键技术:1)在三维模型中模拟了面心立方晶体中{111}面族的12条主滑移系;2)应用缺口根部裂纹萌生的Tanaka-Mura理论模型模拟一条微裂纹在另一条裂纹尖端萌生;3)模拟了微裂纹的起裂、扩展与联合过程,最终形成一条宏观裂纹。对某表面带刀痕涡轮盘疲劳裂纹萌生寿命数值仿真结果与真盘试验结果相差20%。研究表明,减小晶粒尺寸、降低表面粗糙度、形成表面压缩残余应变以及析出沉淀颗粒都有利于提高涡轮盘的疲劳裂纹萌生寿命。     

EB-PVD热障涂层对IC10合金力学性能的影响

采用电弧离子镀技术在IC20合金基体上制备NiCrAlYSi粘结层,利用电子束物理气相沉积（EB—PVD）技术在粘结层上制备YSZ陶瓷面层。研究了YSZ热障涂层对IC10合金拉伸、持久、疲劳性能的影响。结果表明：IC10合金沉积YSZ热障涂层后,980℃／200MPa高温持久寿命与IC10合金相当;900℃高温抗拉强度σb、屈服强度σ0.2、伸长率占和断面收缩率砂与基体相比,基本保持不变;室温抗拉强度σb。屈服强度σ0.2：与基体相比稍有下降;800℃／447MPa疲劳寿命与基体合金相当。因此,IC10合金沉积TBCs涂层后,对IC10合金力学性能无明显影响,不影响合金的实际使用。     

TA11钛合金超高周疲劳行为

利用常规疲劳试验方法获得TA11合金在不同温度,不同应力比下的3×10~7及1×108超高周疲劳极限,并采用三参数幂函数法获得合金超高周疲劳中值S-N曲线及其描述方程。研究发现:与传统1×10~7疲劳极限相比,TA11合金的超高周(3×10~7及1×108)疲劳强度表现出继续降低的趋势,这一趋势在负应力比(R=-1)下不太明显,在正应力比(R=0.1,0.5)下十分显著,并且室温下的降低幅度大于高温下的降低幅度;断口分析表明,室温下TA11合金试样的超高周疲劳裂纹均萌生于表面,高温下TA11合金试样的超高周疲劳裂纹萌生方式与应力比有关,R=-1和0.1时疲劳裂纹萌生于表面,R=0.5时疲劳裂纹萌生于内部;TA11合金试样的表面状态是导致其疲劳寿命分散的主要原因。     

基于DFR法的Al-Li-S4铝锂合金铆接结构疲劳可靠性分析

Al-Li-S4是新一代铝锂合金,常被用作机身材料,而铆接结构在飞机各个重要受力结构中也具有广泛的应用.为了研究Al-Li-S4铝锂合金铆接结构的疲劳性能,通过试验统计得到两种铆接结构的细节疲劳额定值(DFR),并借助扫描电镜观察其疲劳裂纹的萌生和扩展行为.结果表明:Al-Li-S4铝锂合金铆接搭接结构的DFR值为102.24 MPa,铆钉填充锪窝孔连接结构的DFR值为169.41 MPa;Al-Li-S4铝锂合金疲劳断口的分析表征其具有良好的抗疲劳损伤性能.研究结果可为新型民用飞机选材、疲劳设计和寿命评估提供参考.     

镍基高温合金GH4169小裂纹早期扩展的原位疲劳试验

通过原位扫描电子显微镜(SEM)疲劳试验,研究了直接时效GH4169高温合金在室温下的疲劳小裂纹萌生和早期扩展过程.结果表明:在应力比R=0.1的拉-拉疲劳载荷作用下,疲劳小裂纹的萌生寿命仅为全寿命的20%左右.疲劳小裂纹起源于表面夹杂,以半椭圆表面裂纹形状扩展,扩展后期穿透试样一侧形成角裂纹,角裂纹迅速扩展导致试样断裂.疲劳小裂纹的早期扩展易受局部微观结构的影响,扩展速率分散性较大.      

一种TiAl合金高温低循环疲劳性能及失效机理

通过对TiAl合金进行总应变范围控制的高温(750℃)低循环疲劳实验,研究双态(Duplex,DP)和全片层(Fully Lamellar,FL)组织形态对TiAl合金低循环疲劳性能和寿命的影响,并采用总应变幅-寿命方程对两类组态TiAl合金低循环疲劳寿命进行预测。结果表明:在相同温度和应变条件下,DP组态TiAl合金稳态迟滞回线对应的平均应力明显低于FL组态TiAl合金稳态迟滞回线对应的平均应力;采用总应变幅-疲劳寿命方程能够准确预测两种组态TiAl合金在750℃下的疲劳寿命,预测寿命基本位于试验寿命的±2倍分散带以内;另外,DP组态TiAl合金的疲劳源区位于试样的近心部,而FL组态TiAl合金的疲劳源区位于试样的次表面,两类组态TiAl合金的高温疲劳失效机理存在明显差异。     

考虑表面加工状态的粉末盘低循环疲劳寿命分析

分析了表面加工状态对疲劳性能的影响,建立了基于Manson Coffin公式考虑表面加工状态的低循环疲劳寿命分析方法。分析不考虑与考虑表面加工状态某FGH96粉末合金盘的低循环疲劳寿命,分析结果表明:表面加工状态对低循环疲劳寿命的影响程度为30%～40%。完成了某FGH96粉末合金盘的低循环疲劳寿命试验,试验结果表明:不考虑表面加工状态的预测寿命分散度大,考虑表面加工状态的预测寿命分散度小。      

钽钨合金表面铱涂层的制备及高温氧化性能

利用真空电弧离子沉积技术在钽钨合金表面沉积均匀致密的铱涂层,研究了钽钨合金/铱涂层的抗高温氧化性能和热震性能。结果表明:在800℃和1 100℃条件下,铱涂层可以有效保护钽钨合金,经过20 h后,铱涂层表面只发生轻微氧化,其表面形成褐色氧化铱产物;在1 900℃条件下,抗氧化寿命达10 h以上;在室温至(1 900±50)℃热震条件下,其寿命可达到1 000次以上。     

前处理工艺对航空铝锂合金硫酸阳极氧化膜层性能影响

针对一种新研制的航空用Al-Li-Cu-Zn-Mg系铝锂合金,采用了光学显微镜、电子显微镜和能谱分析技术,分析碱腐蚀和三酸脱氧两种不同前处理工艺对铝锂合金硫酸阳极氧化膜层的外观、耐蚀性和疲劳性能的影响规律。结果表明:相比三酸脱氧工艺,碱腐蚀工艺对铝锂合金表面的腐蚀程度较深,晶界处的耐腐蚀能力较差,硫酸阳极氧化膜层表面形成了网状晶界形貌;采用碱腐蚀处理的试样疲劳寿命较三酸脱氧处理试样更低,而不同前处理后经过硫酸阳极氧化的试样疲劳寿命相差不大。不同前处理对铝锂合金的硫酸阳极氧化膜层的耐蚀性的影响不大。     

铝锂合金疲劳行为及机理

 本文综述了铝锂合金疲劳的研究进展,包括铝锂合金的疲劳长裂纹、短裂纹、裂纹萌生、光滑和缺口疲劳强度、循环应变行为、过载反应、低温疲劳和腐蚀疲劳、铝锂合金与2000和7000系铝合金疲劳性能的对比、热处理工艺、微观结构、合金成分等对铝锂合金疲劳性能的影响等。     

变幅载荷对高温合金裂纹萌生及扩展寿命的影响

为了更好地分析航空发动机用高温合金裂纹萌生阶段的变幅载荷对高温材料的低周疲劳裂纹萌生及扩展寿命的影响,将低周疲劳的裂纹萌生过程视作损伤累积过程,基于连续损伤力学建立了低周疲劳损伤累积模型.结合室温下GQGH4169合金的裂纹扩展试验数据,通过有限元建模计算和数值分析方法确定了模型中具体的损伤参数数值,并对裂纹萌生寿命进行了预测.结果表明:该方法不但能准确地预测变幅加载下CT试样的裂纹萌生寿命,而且能很好地反映萌生阶段变幅载荷对裂纹扩展寿命的影响,而且降低了试验成本.     

ZSGH4169榫连接结构微动疲劳试验

针对航空发动机热端部件涡轮盘榫连接结构微动疲劳现象展开研究,开展了ZSGH4169镍基高温合金榫连接结构在不同温度和不同载荷下的微动疲劳试验。试验发现:在不同工况下,微动疲劳裂纹均产生在榫槽接触区的下缘,且两侧均有裂纹产生。榫连接结构微动疲劳寿命随着试验温度的升高,微动疲劳寿命显著降低;随着载荷的增加,微动疲劳寿命显著降低。温度和载荷都会对滑移幅值产生影响,且微动疲劳寿命随着滑移幅值的增加而降低。使用包含微动疲劳参数的高温微动疲劳寿命预测模型来对ZSGH4169微动疲劳试验进行验证,预测寿命均在2倍误差带内。