FGH96粉末高温合金亚尺寸轮盘研制及试验验证

粉末高温合金涡轮盘是高推重比航空发动机研制的关键。由于粉末高温合金材料的特殊性,为了保证粉末高温合金轮盘的可靠性,需要修正传统轮盘强度和低循环疲劳寿命设计技术并进行验证。本文设计了亚尺寸结构的粉末高温合金轮盘,并对其进行了计算及分析,最后在试验器上进行了试验验证。该亚尺寸轮盘研制成功对高推重比涡轮盘的研制有重要意义。     

Ti-45Al-5Nb-0．3Y合金的等温热变形模拟及包套锻造

采用Gleeble-1500热力模拟机对Ti-45Al-5Nb-0.3Y (at%)合金在不同温度和变形速率下的流变应力进行了实验研究,并对此材料进行了包套锻造,分析了变形组织及压缩性能.结果显示,TiAl合金的真应力-真应变曲线显示典型的动态再结晶软化特征,流变应力随应变速率的升高和变形温度的降低而升高,在1200℃/0.01s-1条件下变形后试样外观质量好;利用Zener-Hollomon参数计算了此合金的热变形激活能,Q=399.5kJmol-1;在α γ双相区一次包套锻造,总变形量达70%,锻坯质量良好,锻后组织由大量弯曲、破碎的层片,细小的再结晶晶粒及少量平直层片组成,动态再结晶主要发生在原层片晶团的界面处,经1150℃/80min热处理后,合金发生广泛的再结晶形成了大量细小均匀的等轴γ晶粒,平均晶粒尺寸约为10μm,但仍有少量残余层片存在;室温压缩实验表明,锻造后合金的强度和塑性提高,这与锻造后显微组织的细化有关.     

CVI制备的Si3N4p/Si3N4复合材料及其性能

以SiCl4-NH3-H2为反应体系,采用化学气相渗透法制备Si3N4p/Si3N4复合材料.试样主要成分为α-Si3N4和非晶沉积物,并有微量的β-Si3N4和晶体Si.SEM和光学显微图片表明颗粒团间气孔偏大,Si3N4颗粒和CVI Si3N4之间界面弱结合,导致试样的弯曲强度最高只有71MPa.     

抽拉速率对Ti-47.5Al-2Cr-2Nb-0.2B合金的定向凝固组织的影响

采用亚快速定向凝固装置成功地制备了Ti-47.5Al-2Cr-2Nb-0.2B合金定向凝固试样,观察了不同凝固速率下的固液界面形貌、过渡区和稳态区凝固组织.实验结果表明,在2μm/s抽拉速率下,合金界面以胞状界面形态生长,全片层组织(γ+α2)取向与生长方向成0°和45°的夹角,合金凝固时的领先相为β相.在100μm/s凝固速率下,合金界面以枝状形态生长,全片层组织方向与生长方向的夹角为90°,领先相从β相转化为α相.通过将合金中Cr和Nb元素的含量折算成Al的含量,计算Ti-48.3Al合金中α和β相界面生长温度,发现凝固速率达到180μm/s时,领先相可由β相转变为α相,理论计算结果支持实验中的相选择转变过程.     

TC4钛合金电子束焊接焦点动态变化特性研究

为了探索电子束深熔穿透焊接原理,针对20mm厚TC4钛合金中厚板材开展了电子束焊接工艺实验,分析了电子束焊接过程焦点动态变化特性,研究了焊接速度、工作距离对电子束焊接焦点动态变化特性的影响.结果表明,随着焊接速度增加,临界穿透束流增大,焦点动态变化特征曲线上移;随着工作距离的增加,动态焦点逐渐向下移动;保持其他参数恒定,随着聚焦电流增加,电子束焦点动态变化,焊缝形貌由钉形向钟罩形过渡.     

镍基单晶合金中空穴绕夹杂形核及后续演化的有限元分析

 采用内聚力单元模拟镍基单晶合金中基体与夹杂之间的界面,对镍基单晶合金中空穴绕夹杂形核及扩张的过程进行了初步的分析。夹杂-基体界面的粘结强度不同,空穴的相对体积分数增长速度存在较大差异。粘结强度越小,空穴越容易形核,空穴扩张的速率越大;粘结强度越大,空穴越难于形核,空穴扩张的速率越小。应力三维度是空穴形核及扩张的主要驱动力,应力三维度越高,空穴形核及扩张的速率越大。应力三维度不同时,基体-夹杂界面开裂的初始位置及裂纹扩展的方式不同。在高应力三维度下空穴的演化由低应力三维度时的形状改变为主变为体积膨胀为主。Lode参数对空穴的形核过程及空穴形成后的扩张有着显著的影响。晶体取向对空穴的形核过程有着显著的影响,不同取向时基体-夹杂界面开裂的初始位置及裂纹扩展的方式不同。晶体取向对空穴的扩张有着显著的影响。在考虑镍基单晶合金的晶体取向相关性时,必须同时考虑Schmid系数、弹性模量和开动的滑移系。     

粉末冶金盘损伤容限的边界元分析

采用边界元法建立了裂纹扩展分析模型,对FGH95粉末高温合金标准紧凑拉伸(CT)试样的裂纹扩展试验结果进行了数值模拟,计算结果与试验吻合很好,表明分析方法的准确性及可行性.在对粉末高温合金缺陷数据分析的基础上,建立了粉末盘损伤容限边界元分析模型,对其裂纹扩展寿命进行了评估.研究表明:边界元法在损伤容限分析中的实现便捷可行,可应用于复杂构件裂纹扩展特性的工程分析,与传统预测方法相比,能够给出更为合理的寿命结果.      

Z-A模型的修正及在预测本构关系中的应用

Zerilli-Armstrong(Z-A)模型是基于热激活位错运动理论建立的具有物理理论基础的本构模型,但是模型建立的初始假设,降低了其预测精度.为此通过引入考虑应变率和温度耦合效应的应变强化指数对Z-A模型进行修正,拓展了其适用范围,并将修正后的Z-A模型应用于描述IC10合金在不同温度和应变率条件下的塑性流变行为.与修正前Z-A模型的预测结果及试验结果比较表明:修正后Z-A模型的预测精度有较大程度的提高,最大平均相对误差值从6.41%降低到3.65%.      

变形温度和冷却速度对TA15合金组织性能的影响研究

本项目研究了变形温度、冷却速度对原始坯料为片状组织的TA15合金显微组织和性能的影响.随着变形温度(1080-930℃)的降低,及变形后冷却速度(空冷～水冷)的加快,TA15合金的室温抗拉强度、延伸率及断面收缩率均呈上升趋势.β区变形的镦粗试样为片状组织,在大变形区和自由变形区,1080℃变形时β晶粒的动态再结晶程度比1 030℃高.两相区变形镦粗试样的显微组织为过渡型组织,难变形区和大变形区及自由变形区组织差别较大.     

置氢Ti-6Al-4V合金超塑变形行为

研究了置氢Ti-6Al-4V合金的超塑变形行为.结果表明,氢可以增强动态回复和动态再结晶效应,使真应力-真应变曲线表现出相对稳定的流变应力;置入适量的氢可以使峰值流变应力降低58%,从流变应力的角度出发,相当于使应变速率提高几倍或使超塑变形温度降低约50℃;随氢含量的增加,延伸率呈下降趋势,超塑拉伸断口由延性断口转变为脆性断口.