单晶高温合金HRS定向凝固过程凝固参数的计算机检测与分析

建立了一套炉前计算机数据自动采集和控制系统，该系统可对HRS定向凝固过程的温度数据进行自动采集。对单昌高温合金DD98定向凝固过程湿度场的现场测定和分析的结果表明：该系统现场采集的数据平稳，较好地解决了干扰问题；在恒定的加热温度和抽拉速率下，温度梯度、糊状区宽度等凝固参数是不断变化的，起始端的温度梯度最高，凝固后期温度梯度趋于平稳，糊状区的宽度随着凝固的进行呈增加的趋势。     

基于ANSYS模拟评估Mo单晶电子束焊接焊缝中的离散晶粒

以往的研究中发现在钼单晶电子束焊接焊缝中形成了离散晶粒。本研究基于有限元模拟对杂散晶粒在钼单晶焊缝中的产生行为进行了分析。利用ANSYS软件,采用双椭球3D移动热源,对钼单晶圆管的电子束焊接接头进行有限元数值模拟。使用了用以描述晶粒离散程度的参数Φ和熔池凝固前方温度梯度G、晶体生长速度V关系的模型。通过不同焊接工艺下的模拟结果提取温度和温度梯度数据,获得G和V,计算得Φ,获得焊接功率和焊接速度对钼单晶焊缝中杂散晶粒形成的影响。     

基于粘塑性的单晶镍基合金晶体学本构模型

单晶镍基合金在涡轮叶片上得到越来越广泛地应用,对单晶材料本构模型的研究也在不断地深入。本文运用晶体学理论,结合现象学的统一本构模型的优点,进行了单晶镍基合金的本构建模,模型基于晶体学滑移理论,在单晶八面体12个滑移系和立方体6个滑移系的微观水平上建立粘塑性流动方程和硬化方程,该方程采用粘塑性统一本构方程的一般形式。建模过程表明晶体模型物理意义更明确,计算结果则表明模型是准确的。     

单晶高温合金铸件结构对定向凝固过程中温度场的影响

为了提高单晶涡轮叶片的气冷效果,其冷却通道内部结构越来越复杂,导致制备过程中凝固缺陷出现频率增高,凝固缺陷的形成与定向凝固过程中温度场演变密切相关.采用ProCAST数值模拟的方法研究了铸件结构对定向凝固过程中温度场的影响.结果 表明,单晶高温合金铸件尺寸突变和渐变都会导致液固界面位置和温度梯度的变化;相比渐变截面结构...     

单晶高温合金定向凝固过程中条带的形成机制

在单晶高温合金的定向凝固过程中,有时会形成条带.为此,对它的形成机制进行了研究.结果表明:条带具有明显的起始位置,一次枝晶与合金基体的一次枝晶方向平行,条带的宽度随单晶的生长过程没有变化,与小角度晶界有明显不同的特征.在单晶高温合金的凝固过程中,陶瓷型壳的表面缺陷可能是合金晶体形核的凹面靠背基底.当枝晶前方的过冷度超过晶粒形核所需要的过冷度时,合金的条带形成.用模拟试验对条带的形成机制进行了试验验证.     

Effects of Re and Ru Additions on Solidification Partition Coefficients and Solidification Characteristic Temperatures of Nickel Base Single Crystal Superalloys

采用双区加热和液态金属冷却相结合的定向凝固方法,制备出4种Re和Ru含量不同的平界面态镍基单晶高温合金,精确测定了近平衡凝固时合金中各元素的平衡分配系数和合金的凝固特征温度。结果表明:Re的添加将显著降低重偏析元素Re、W和Ta的偏析程度,使液相线温度先降低后升高,而固相线温度始终降低;Ru的添加对偏析的影响较小,并略微降低合金的液相线和固相线温度。同时,根据平衡分配系数和凝固特征温度可预测非平衡凝固态单晶合金的元素偏析和凝固缺陷形成倾向。     

凝固过程晶粒生长动力学及拓扑转变机制的相场研究

基于连续相场动力学模型,研究了凝固过程形核、长大及粗化阶段的组织形貌演化,动力学转变,以及粗化过程拓扑转变,分析了形核与长大过程的关系。研究结果表明,形核长大过程中,晶粒体积分数逐渐增大至平衡值,总表面积先增大后减小,体积自由能是形核的驱动力,表面能是形核的阻力。形核伴随着长大,两者是相互重叠相互竞争的两个过程。晶粒生长过程中,边数大于六的晶粒持续长大,而边数少于六的晶粒不断缩小。小晶粒消失机制有:临近切换机制;三边﹑四边及五边晶粒直接消失机制;四边交叉点分离并最终导致小晶粒消失机制;晶界直接消失机制。模拟结果与实验结果符合较好。     

镍基单晶高温合金沉淀相尺度效应研究

对Ni_3Al(γ')沉淀相尺寸对镍基单晶高温合金拉伸性能的影响进行了研究。对镍基单晶高温合金而言,材料的屈服来源于位错以Orowan机制绕过沉淀相,而Orowan应力与沉淀相间距有关。根据这一机理,基于晶体塑性理论,引入一个本构方程以表征沉淀相尺寸对镍基单晶高温合金屈服强度的影响。采用该本构模型,分别计算了在[001]以及[111]2个取向下,含有尺寸为0.2~2.5μm沉淀相的镍基单晶高温合金屈服强度,并与试验结果进行了对比验证。结果表明,该模型可以准确表征镍基单晶高温合金沉淀相的尺度效应。     

定向凝固 Al7(CoCrFeMnNi)93 高熵合金微观组织演化及单晶生长

采用定向凝固技术研究了Al7(CoCrFeMnNi)93高熵合金微观组织的演化规律,以自然竞争生长法制备出胞状和树枝状亚结构单晶体,并研究了亚结构和取向对高熵合金单晶体纳米力学性能的影响。结果表明,Al7(CoCrFeMnNi)93高熵合金在定向凝固过程中界面更容易失稳,其平-胞界面转变速率小于1 μm/s,胞-枝界面转变速率范围约为2 ~ 5 μm/s。合金的一次、二次枝晶间距均随着定向凝固速率增加而逐渐减小,并分别与抽拉速率满足指数关系。定向凝固后,该合金枝晶干区域富集Co、Cr和Fe元素,而熔点较低的Mn、Ni和Al元素倾向于富集枝晶间区域。以自然竞争法获得的胞状、树枝状亚结构单晶的取向分别为[2 1 4]和[2 1 3]。纳米力学性能数据表明偏析行为造成的亚结构对单晶体的弹性模量和硬度影响较小,而晶体取向对单晶体的弹性模量影响较大,对硬度值影响较小。     

Mo和W在镍基单晶高温合金中的作用研究进展综述

镍基单晶高温合金因其优异的高温性能而广泛应用于航空发动机涡轮叶片的制备。经过几十年的发展,国外已发展至第六代镍基单晶高温合金,合金体系中的Re和Ru等贵重金属元素的含量也不断增加。贵重元素的添加导致合金的成本和密度上升,对合金的研制和批量商业化应用不利。Mo和W作为较低成本的强化元素,在镍基单晶高温合金中发挥了重要的作用。Mo 和W在镍基单晶高温合金中的作用已有较为广泛的研究,本文简单综述了Mo和W在镍基单晶高温合金中对微观结构,包括元素分布、γ/γ′相两相结构、组织稳定性等方面,以及高温持久性能、对凝固缺陷和抗氧化及抗热腐蚀性等的影响,并提出了未来潜在的研究方向。     

高温合金定向凝固技术研究进展

首先回顾了定向凝固的发展历史,重点分析了液态金属冷却定向凝固的技术特点。总结了高温度梯度下制备的定向凝固法单晶高温合金在组织和性能方面的研究现状,结合作者在本领域的研究,着重分析了定向凝固温度梯度、凝固速率、晶体取向、熔体超温处理、熔体对流控制对组织和性能的作用规律和机制,认为高温度梯度定向凝固是细化组织、减少缺陷、提高合金性能的重要途径。最后展望了高温合金定向凝固的发展趋势。     

单晶高温合金DD419籽晶引晶过程中杂晶形成机制研究

采用不同程度加工处理过的籽晶进行了高温合金DD419单晶铸件的制备实验,对宏观腐蚀后的铸件籽晶进行表面观察,并检测了相应部位的金相组织和晶体取向,对杂晶的起源进行了研究分析。结果发现,轻度加工的籽晶表面仅出现轻微再结晶,未对引晶造成影响,而中度和重度加工的籽晶有不同程度的再结晶。这些籽晶表面的再结晶产生于浇注前的预热和保温阶段,与铸件经标准固溶热处理后产生的再结晶形貌非常相似。在预热与浇注过程中,这些再结晶得到部分熔化,在随后的凝固过程中,回熔界面附近未熔的残余再结晶晶粒外延生长,从而形成杂晶缺陷。本工作证明了籽晶回熔区内杂晶的起源是籽晶表面的再结晶,而不是通常认为的液相中新晶粒形核。     

Ru的添加对镍基单晶高温合金组织的影响

研究了添加Ru对镍基单晶高温合金铸态、热处理及长期时效组织的影响。结果表明：添加Ru导致合金的共晶含量、一次枝晶间距降低,固溶热处理困难。添加Ru后合金的层错能显著降低,?基体中出现的扩展位错会阻碍后续位错的运动,有助于提高合金力学性能。1100℃长期时效时,添Ru加对筏化过程影响不显著,未改变TCP相的主要析出类型,但显著抑制了TCP相的析出;随时效时间的延长（如超过500 h）,添加Ru对TCP相的抑制作用减弱。     

单晶高温合金断裂特征

对单晶高温合金高温拉伸、低周疲劳、高周疲劳和持久断裂特征进行试验研究。结果表明：单晶高温合金高温拉伸断口具有类解理断裂与韧窝断裂的混合特征,断裂机制为中心微孔聚集型断裂。低周疲劳断裂在高应变幅下为多疲劳源,裂纹扩展初期断口与主应力方向垂直,随后疲劳裂纹沿特定晶体学平面扩展;在低应变幅下为单疲劳源,疲劳裂纹沿特定晶体学平面扩展。高周疲劳断裂为单疲劳源,在大应力下断口由多个相交的特定晶体学平面组成,应力较小时,断口由一个大的晶体学平面和瞬断区组成。疲劳裂纹在晶体学平面上扩展形成的疲劳条带间距很宽。高温持久断裂机制为微孔聚集型断裂,显微缩孔成为持久断裂的主要裂纹源。表面再结晶对高温持久断裂机制影响较小,但会使持久性能降低。     

高温合金单晶铸件中形状因素对雀斑缺陷的影响

通过对单晶高温合金铸件中雀斑缺陷的观察研究,发现铸件横截面和纵截面的形状都对雀斑的形成产生很大的影响。铸件横截面形状的影响表现为棱角和曲率效应,即雀斑容易出现在外凸形的棱角(夹角<180°)和曲面(曲率为正)上,而不会出现在内凹形的棱角(夹角＞180°)和曲面(曲率为负)。其原因在于糊状区液体流动的附壁效应会在铸件外凸和内凹部位分别发生叠加和发散,从而分别促进和减弱雀斑的生成倾向。另外,铸件纵截面形状变化对雀斑的影响表现为收扩效应,即沿凝固方向呈收缩型和扩张型的的外表面对雀斑的影响完全相反,分别起到强烈的促进和抑制作用。研究结果表明,上述的铸件形状因素对雀斑的作用远远超过了凝固条件的影响。     

镍基单晶超合金中孔洞长大的试验和有限元分析

在高温状态下，镍基单晶超合金的变形、损伤及断裂分析中，孔洞的长大都起着主要的作用。本研究进行了系列的蠕变、疲劳及热机械疲劳（TMF）试验。对试件的断面进行的SEM观察表明，所有的断面都是有许多小断面构成，在断面的中心，至少有一个孔洞。孔洞的尺寸与加载的条件相关。使用晶体塑性有限元程序对单胞模型进行分析，模拟孔洞的长大规律。给出了蠕变和弹塑性两种条件下的模拟结果及不同的晶体取向对孔穴长大的影响结果。对孔洞长大的有限元分析有助于对实验结果的理解。     

坩埚石墨化度对SiC单晶生长过程的影响

研究了用改进Lely法制备SiC单晶的过程中坩埚石墨化度对物质传输和晶体生长速度的影响。在不同温度下进行石墨化处理得到了实验所用的坩埚。用XRD方法定量测定了晶体生长前坩埚的石墨化度，并用SEM分析了晶体生长后坩埚内壁的反应情况。实验结果表明，石墨坩埚在SiC晶体生长过程中是一个非常重要的碳源提供者：当坩埚的石墨化程度较低时，晶体的生长速度快，生长速度由生长温度所控制；随着坩埚石墨化程度的提高，晶体生长速度减慢并由坩埚石墨化度所控制；当石墨化度进一步提高的时候，籽晶被碳化，晶体不能正常生长。     

镍基单晶高温合金[111]取向拉压不对称分析

试验表明,[111]取向镍基单晶高温合金宏观滑移迹线符合六面体滑移特征,而微观位错滑移机制为八面体滑移。针对上述宏、微观现象,提出了一种"之"字形交滑移模型,使宏观六面体滑移迹线与微观位错的八面体滑移在该模型中得到了很好的统一。同时,在上述"之"字形交滑移变形机制的基础上,对[111]取向的拉压不对称特性进行了分析,提出一种位错分解方式,对[111]取向产生拉压不对称特性的微观机制进行了表征。最终,基于上述两种机理,建立了[111]取向镍基单晶高温合金的拉压不对称预测模型。该模型不仅能够对[111]取向镍基单晶高温合金屈服强度进行预测,而且可以表征屈服强度的拉压不对称特性,即压缩屈服强度大于拉伸屈服强度以及拉压不对称随温度升高愈加严重的现象。     

镍基单晶高温合金热机械疲劳本构模型研究

在晶体塑性理论的基础上,提出了一种适用于镍基单晶高温合金热机械疲劳的本构模型,并采用该模型对单晶材料不同晶体取向的热机械疲劳力学响应进行有限元模拟。结果表明,该本构模型可以较好地模拟镍基单晶合金的热机械疲劳行为。对于同相位热机械疲劳,压缩应力幅大于拉伸应力幅,循环平均应力小于零;对于反相位热机械疲劳,拉伸应力幅大于压缩应力幅,循环平均应力大于零。随着循环次数的增加,材料呈现出在高温半周为初始软化,低温半周为初始硬化的特征。晶体取向对于材料的热机械疲劳性能具有显著的影响。     

共晶反应定向凝固工艺制备多孔材料气孔形成和长大机理

本文采用热分析法研究几种金属一氢气共晶反应定向凝固制备藕状多孔材料气孔的形成和长大机理。结果表明,这种工艺气孔是借助熔融金属中的活性杂质非匀质形核的,而长大则是沿固液界面的法线方向向具有粗糙界面的气固相转移,最终形成气孔规则定向排列于金属基体中的多孔材料。