非金属夹杂物在镍基粉末高温合金中的变形行为

对人工掺入FGH96合金中的Al2O3、SiO2及莫来石三种夹杂物在等温锻造过程中的变形行为进行了研究,并对夹杂内部及其周围基体中的等效应力和等效应变分布进行了模拟。结果表明,夹杂内部的应力集中是使其破碎的原因,较大的剪切应变导致其一维方向的尺寸变大,使裂纹极易在夹杂处萌生并扩展,从而增大了对基体材料的危害性。但夹杂的种类不同,在变形过程中表现出的行为特征也不尽相同：Al2O3呈破碎的“链状”分布;SiO2只发生局部破碎;莫来石呈“薄膜”状分布。通过大的变形量和挤压比,可降低非金属夹杂物对粉末高温合金盘件工程化应用的影响。     

FGH96合金挤压过程中Al2O3夹杂物的变形特征分析

通过对FGH96合金中非金属夹杂物Al2O3进行微小材料压缩试验,得到其压缩过程中的载荷--位移曲线和平均破碎点载荷.并对FGH96合金在成形温度1000℃,1050℃和1100℃,应变速率1.0s-1,0.1s-1.0.01s-1和0.001s-1下进行热模拟试验,得到高温下FGH96合金的交形规律.结合以上两组数据,对FGH96合金进行了挤压过程模拟,模拟结果表明挤压筒内部的合金应力值较高且分布均匀,但挤压模坡口处合金的应力值较低且变化较大.针对以上模拟结果,对Al2O3,夹杂物进行了单向压缩和双向等压两种应力状态下的模拟分析.结果表明,在双向等压条件下,FGH96合金中的Al2O3,夹杂物只有在其周围基体应力较高时,会在棱角处发生破碎,且碎裂程度较小;而在单向压缩应力状态下,Al2O3,夹杂物较容易发生破碎,且破碎程度较大.     

粉末高温合金中SiO2夹杂物与基体的界面反应机理及对其变形行为的影响

通过人工植入夹杂物的方法,采用SEM、EPMA、TEM、纳米压痕和微纳CT研究了FGH96粉末高温合金中30和60μm SiO2夹杂物在粉末态、热等静压(HIP)和热挤压(HEX)过程中形貌、尺寸以及化学成分的演变规律,深入揭示了SiO2夹杂物与基体发生界面反应的机理,定量研究了夹杂物在粉末态、HIP态以及HEX态下尺寸的变化,表征了夹杂物在挤压棒材中的三维形貌。结果表明,在粉末态时,夹杂物呈长条状或板条状;在HIP过程中,夹杂物与基体发生了置换反应,形成了内部Ti O2、外部Al2O3并弥散分布于γ基体的复合夹杂物,确定了形成氧化物的物相种类,揭示了界面反应机理,同时,30μm SiO2周围未出现γ'相贫化区,60μm SiO2周围形成了γ'相贫化区,合金基体较γ'相贫化区具有较高弹性模量和纳米硬度,γ'相贫化区为软化区,反应后30和60μm SiO2夹杂物尺寸分别约为35和75μm,体积得到进一步增大;在挤压过程中,60μm SiO2由于贫化区的存在表现出与30μm SiO2不同的变形行为,并通过SEM观察统计的夹杂物尺寸与理论计算和微纳CT测试结果进行了对比验证。     

夹杂物尺寸及分布对FGH97高温合金低周疲劳性能的影响

利用扫描电子显微镜、能谱仪、金相显微镜、低周疲劳试验机研究了镍基粉末高温合金FGH97材料650℃低周疲劳性能与断口夹杂物尺寸、面积及分布的关系。结果表明:FGH97热等静压材料低周疲劳裂纹源主要由非金属夹杂物引起。非金属夹杂物尺寸小于临界值(约80μm)时,夹杂物尺寸和位置对650℃最大应力980 MPa低周疲劳寿命无明显影响,疲劳寿命均值达到190 992周次。当夹杂物尺寸超过临界值(约80μm)时,则夹杂物尺寸越大,越靠近表面,低周疲劳寿命越低。因此,控制夹杂物尺寸是提高FGH97高温合金低周疲劳寿命的有效方法。     

热等静压态FGH96合金的热压缩变形行为和微观组织演化(英文)

通过热压缩实验研究热等静压态FGH96合金的热变形行为和微观组织演化过程。基于Gleeble-1500,在1000~1150°C和0.001~1.0s-1的条件下进行热压缩实验。对应力—应变数据进行拟合分析,建立FGH96合金的双曲正弦函数形式的本构关系,其形变热激活能为693.21kJ/mol。对各变形条件下的FGH96合金的组织分析表明:在1100°C以上和以下分别发生完全和部分动态再结晶,在高变形温度和低应变速率条件下动态再结晶更容易发生。建立FGH96合金在热加工过程中的动态再结晶的动力学方程和晶粒尺寸演化方程。     

挤压工艺参数对FGH96合金棒材显微组织的影响

对FGH96合金进行了不同挤压工艺参数的热挤压变形,研究了挤压温度、挤压比、挤压速度对FGH96合金热挤压棒材的晶粒组织和γ′相的影响,以及γ′相对再结晶晶粒长大的影响。结果表明:在实验选定的挤压工艺参数范围内,FGH96合金均发生了动态再结晶,随着挤压温度的升高,再结晶晶粒尺寸增大;在FGH96合金棒材的显微组织中,大尺寸γ′相呈链状分布于晶界,小尺寸的γ′相弥散分布在晶粒内部;随着挤压温度的升高,晶界处的大尺寸γ′相逐渐溶解,晶界迁移、阻力减小,再结晶晶粒长大,挤压温度为1100℃时,晶界处的大尺寸γ′相开始快速溶解,再结晶晶粒开始明显长大;挤压比和挤压速度的影响主要体现在单位时间内等效应变量和变形潜热对再结晶形核和长大的双重作用上,挤压比或者挤压速度过大或过小均会出现不均匀组织。     

FGH96合金的热塑性变形行为和工艺

通过高温热压缩实验,得到了不同温度和不同应变速率条件下热等静压FGH96合金的真应力-应变曲线,在此基础上,建立了FGH96合金热塑性变形过程中的热加工图.通过对材料微观组织、应力应变响应及热加工图的对比分析,确定了优化的热塑性锻造窗口,提出了FGH96合金细晶盘坯锻造工艺.根据优化的热塑性锻造窗口,利用等温锻造工艺锻造出无开裂的细晶粒盘坯.     

粉末冶金高温合金差热曲线的相变温度分析方法

采用差热分析技术,研究样品质量和升温速率对FGH96合金差热曲线的影响。以FGH96为代表,探索采用差热曲线分析方法准确测量粉末冶金高温合金相变温度的最佳升温速率和样品质量。分析和对比差热曲线不同方法判定的γ'相完全溶解温度、固相线温度及液相线温度。改进了固相线判定方法,并在此基础上确定了FGH96合金中主要相变温度的最优判定方法。实验测定了FGH96合金热等静压、热挤压和热处理状态的相变温度。结果表明:FGH96合金在不同状态下的相变温度基本相同。同时,确定了高温合金差热分析的两个重要实验参数,提出可统一应用于高温合金差热曲线分析相变温度的判定方法。     

石墨烯/铝复合材料热挤压过程组织演变

采用冷等静压后热挤压变形工艺制备高含量石墨烯增强6061Al复合材料,研究热挤压变形过程中复合材料显微组织的演化特征。结果表明:冷等静压后坯锭的致密度达到92.5%,在挤压温度480℃、挤压比25∶1的条件下,复合材料棒材的致密度达到99.7%。随着塑性变形量的增大,石墨烯团聚体逐渐被打散,并沿挤压方向呈不连续状分布;由于热挤压保温温度远低于热压烧结温度,热挤压态复合材料中石墨烯与铝合金未发生界面反应;冷等静压后进行高温塑性变形可获得高致密度的复合材料,同时避免了石墨烯与铝合金之间生成Al_4C_3的界面反应。     

Q195热轧带钢凝固冷却过程非金属夹杂物生成热力学及工业实践

为了控制Q195钢中非金属夹杂物在凝固冷却过程的转变,采用ASPEX自动扫描电镜研究了实际生产凝固冷却过程夹杂物的转变,并用FactSage软件理论计算了这一过程夹杂物转变的热力学原理。研究结果表明:Si-Mn-Al复合脱氧Q195热轧带钢中间包内夹杂物主要成分为SiO2-MnO-Al2O3,连铸坯中硫化物夹杂质量分数急剧升高,氧化物夹杂中SiO2质量分数升高,MnO质量分数下降。钢中夹杂物成分与尺寸有明显对应关系,中间包内夹杂物尺寸越大,Al2O3质量分数越多,SiO2质量分数越低;铸坯中夹杂物尺寸越小,MnS质量分数越高,氧化物夹杂尺寸越小,SiO2质量分数越高。FactSage热力学计算表明,在钢凝固冷却过程,钢中会析出SiO2相、Mn2Al4Si5O18相和MnS相,析出相尺寸一般较小,使小尺寸夹杂物中SiO2和MnS质量分数升高,热力学理论计算可以较好地解释夹杂物成分在凝固冷却过程的转变。     

非金属夹杂物对FGH95合金微观拉伸行为的影响

通过扫描电镜原位拉伸实验，动态跟踪观察了2种非金属夹杂物对FGH95合金裂纹萌生和扩展的影响规律。结果表明，裂纹在夹杂物处萌生，塑性莫来石类夹杂的尖角处，是裂纹萌生的择优位置。在最大正应力和最大剪应力的作用下，裂纹沿与主应力轴垂直或约45°向夹杂内部扩展。当裂纹扩展到基体中之后，呈锯齿状向基体内扩展，但主裂纹所在平面仍与主应力轴垂直，其尖端变形带内有明显的滑移线出现。夹杂物附近基体中的贫γ′相区，断口呈韧性沿晶断裂，而远离夹杂物的基体处则变为穿晶断裂。     

热等静压态FGH96合金的热变形行为及热加工图

采用Gleeble-3800热模拟压缩试验机对热等静压态FGH96合金进行了不同温度和应变速率的等温热压缩试验,研究了FGH96合金在变形温度分别为1040、1070、1100、1130 ℃,应变速率为0.001、0.01、0.1和1 s^-1,最大真应变为0.7条件下的高温热变形行为,分析了真应力-真应变曲线,建立了本构方程,并利用Origin软件构建了热加工图,结合变形温度和应变速率对组织的影响确定了FGH96合金合适的热加工参数。结果表明,热等静压态FGH96合金的真应力-真应变曲线呈现典型的动态再结晶特征,其峰值应力随变形温度的降低和应变速率的增加而增加,结合本构方程、热加工图以及微观组织确定了FGH96合金合适的热加工区域为变形温度1060~1080 ℃,应变速率0.0001~0.004 s^-1。     

原始组织对FGH96合金热压缩变形行为和组织的影响

采用Gleeble热力模拟机分别对平均晶粒直径30μm的热等静压态、10μm的挤压态细晶和3μm的挤压态超细晶FGH96合金进行了等温压缩试验,变形温度为1000～1100℃,应变速率为0.001～0.1s~(-1)。结果表明,在相同变形温度和应变速率下,挤压态合金的应力远小于热等静压态的,随着原始晶粒尺寸减小,FGH96合金的应力呈减小趋势,但在1100℃和0.001s~(-1)变形时,挤压态超细晶的应力略高于挤压态细晶的;应变速率为0.001s~(-1)时,热等静压态组织在1100℃呈现稳定流动特征,应力不随应变的增大而增大,而挤压态细晶组织在1050℃和1100℃均呈现稳态流动特征;应变速率为0.001s~(-1)时,挤压态超细晶组织1050℃应力低于1100℃的,且晶粒组织较1100℃细小均匀,1100℃变形容易形成混晶,组织不易控制。     

A357合金夹杂物的形态分析

采用金相、电镜、能谱以及原子力显微分析等方法研究了A357合金熔炼过程中坩锅熔体表面的浮渣。观察了熔体表面合金浮渣微观形貌、组织及其中的夹杂物形态,并作了成分分析。结果表明,熔体表面浮渣中的夹杂物主要呈条块状和长线状,夹杂物中含较多的Al2O3、MgO或MgAl2O4、ZnO、SiO2,还有较少的铁相;含钙相主要是Ca-Si-O复杂相夹杂物。熔体表面氧化膜有较多的显微裂纹和γ-Al2O3转变成α-Al2O3颗粒后脱落而形成的凹坑。浮渣的AFM照片中条带状和絮状的特征与基体性能相差较大,为疏松的氧化夹杂。     

粉末冶金高温合金FGH96的热加工图及热压缩变形过程的开裂行为

采用Gleeble3180D型热模拟试验机对热挤压态FGH96合金在变形温度1020~1140℃,应变速率0.001~1.0s-1进行热压缩实验,分析真应力-真应变曲线,绘制热加工图。并针对热挤压态粉末冶金高温合金FGH96在热压缩温度低于1080℃时的开裂现象,利用热模拟压缩实验方法,确定在变形温度为1050℃、应变速率为0.001~1.0s-1的热压缩变形过程中的开裂临界应变量,观察变形后试样的裂纹形貌和显微组织,并利用有限元分析方法对热压缩变形过程进行模拟。结果表明:试样中部位置受拉应力作用沿着变形方向产生鼓形变形,当达到临界应变量后,产生呈沿晶断裂的宏观裂纹,并且随着应变速率的减小,裂纹产生的临界应变量逐渐减小;在低应变速率条件下,在宏观裂纹产生之前,试样内部晶粒之间出现了微观开裂的现象,并造成应力下降。     

FGH4097合金热等静压成形数值模拟北大核心CSCD

基于连续介质理论,应用Shima模型描述FGH4097合金粉末热等静压的致密化变形规律,采用有限元分析软件MSC.marc对装FGH4097合金粉末圆柱包套的热等静压过程进行了数值模拟和试验验证,分析了包套的变形规律以及温度场对坯料致密化过程的影响。结果表明:在热等静压过程中,Shima模型对描述FGH4097合金粉末的致密化过程具有较高的精度,圆柱包套的数值模拟结果和试验结果的尺寸误差控制在2%以内;包套的厚度以及边角效应对热等静压过程中坯料的收缩变形有着显著的影响;热等静压过程中坯料内温度梯度所导致的应力状态差异使得坯料的收缩偏离各向同性。     

FGH4097合金热等静压成形数值模拟

基于连续介质理论,应用Shima模型描述FGH4097合金粉末热等静压的致密化变形规律,采用有限元分析软件MSC.marc对装FGH4097合金粉末圆柱包套的热等静压过程进行了数值模拟和试验验证,分析了包套的变形规律以及温度场对坯料致密化过程的影响。结果表明:在热等静压过程中,Shima模型对描述FGH4097合金粉末的致密化过程具有较高的精度,圆柱包套的数值模拟结果和试验结果的尺寸误差控制在2%以内;包套的厚度以及边角效应对热等静压过程中坯料的收缩变形有着显著的影响;热等静压过程中坯料内温度梯度所导致的应力状态差异使得坯料的收缩偏离各向同性。     

凝固过程中TiAl合金与容器的界面化学反应的研究

通过对定向凝固过程中TiAl合金与氧化铝、氧化锆坩埚材料的界面化学反应进行研究,分析了夹杂物的分布规律以及反应机制。结果表明:氧化铝坩埚中的SiO2粘结剂与TiAl合金发生界面化学反应,使坩埚内壁的Al2O3颗粒脱落进入TiAl合金熔体,夹杂物在整个试样中呈弥散分布。TiAl合金与氧化锆坩埚的化学反应仅发生在合金试样表面,反应生成的黑色氧化锆具有较大脆性,并在试样表面形成厚厚的粘结层。     

不锈钢包覆层对挤压态FGH96合金表层组织的影响

采用光学显微镜、扫描电子显微镜和电子探针显微分析研究了热挤压镍基粉末冶金超级合金FGH96与304不锈钢(304SS)之间的界面,研究了 304SS包覆层对挤压态FGH96合金表层组织的影响.结果表明,两合金间的界面结合良好,无缝隙或空洞.在FGH96合金表层生成一条尺寸约500nm的TiC颗粒相流线,TiC颗粒相的形...     

夹杂物对FGH96合金低周疲劳寿命的影响及寿命预测

本文通过人工植入Al2O3 和SiO2夹杂物的方法,制备含不同尺寸夹杂物的FGH96合金低周疲劳试样,在650℃下进行不同应变幅的低周疲劳试验,对试样断口进行观察、统计分析,定量分析了夹杂物的尺寸、位置、种类和外加载荷应变幅对低周疲劳寿命的影响,建立了夹杂物特性与低周疲劳寿命的关系。结果表明,应变幅为0.8%,疲劳源区以内部夹杂物为主;当应变幅为0.9%时,疲劳源区为表面夹杂物和不含夹杂物的试样表面的占比增大;当应变幅为1.0%和1.2%时,疲劳源区全部为不含夹杂物试样表面;随应变幅自0.8%增至1.2%,源区位置逐渐由内部夹杂物向表面夹杂物、不含夹杂物的试样表面转移。在应变幅为0.8%时,建立了内部和表面夹杂物面积与低周疲劳寿命的定量关系式,研究了夹杂物种类对低周疲劳寿命的影响,在一定夹杂物尺寸范围内,SiO2夹杂物比Al2O3夹杂物对低周疲劳寿命危害更大,其原因在于SiO2夹杂物周围由于γ’相贫化区的存在而产生的粗大晶粒降低了合金的低周疲劳寿命,同时,研究了夹杂物距试样表面距离与低周疲劳寿命的关系。