FGH96/IN718惯性摩擦焊接头高温拉伸断裂特征

为了实现航空用FGH96和IN718异质高温合金高可靠连接，为航空发动机关键部件安全评价及寿命预测提供基础数据及理论支持，采用扫描电子显微镜、金相显微镜研究了FGH96和IN718异质高温合金惯性摩擦焊接头显微组织形貌、高温拉伸试样断口形貌和断裂位置.结果表明，焊接接头焊缝区FGH96和IN718均为等轴晶粒组织，晶粒尺寸约2μm，焊缝区γ’和δ强化相基本全部溶解，热力影响区FGH96侧晶内γ’基本全部溶解，IN718侧δ强化相发生部分溶解，短棒状形貌消失，组织为粗细晶共存组织.焊接接头650℃高温拉伸试样均断裂在焊缝区，但平均抗拉强度可达1 080.8 MPa，基本与IN718母材等强，高温拉伸试样起裂位置均处于试样边缘焊缝区，裂纹产生的原因主要是由于焊缝区γ’和δ强化相基本全部溶解，强化作用消失，性能降低.裂纹产生后沿晶界由焊缝熔合线向试样内部扩展，当裂纹从试样边缘焊缝区四周同时向试样内部扩展时，在轴向拉力作用下形成“平台+凹坑”状断口特征，当裂纹从试样边缘焊缝区局部位置开始向试样内部扩展时，在轴向拉力作用下形成“平台+剪切”状断口特征.     

FGH96合金双性能盘的组织与力学性能

通过对FGH96合金双性能粉末盘的显微组织分析和和力学性能测试,结果表明,FGH96合金双性能盘的轮缘部位为5-6级晶粒度的粗晶组织,轮毂部位为10-11级晶粒度的细晶组织,过渡区域晶粒度介于5-11级之间,整个过渡区域晶粒组织过渡平缓,盘件不同区域无异常晶粒长大发生;盘件轮毂部位的γ′相呈细小球状分布,轮缘部位和幅板部位的γ′相则呈中等尺寸的方块状和细小球状分布。FGH96合金双性能盘件不同部位的强度和其显微组织具有良好的一致性,过渡区域的拉伸性能具有很好的强韧配合;整个盘件具有明显的双组织/双性能特征。     

激光快速成型FGH96高温合金的显微组织及缺陷分析

以激光快速成型FGH96粉末高温合金为研究对象,采用光学及扫描电子显微镜对沉积态与固溶时效后的显微组织结构进行表征,并分析微观组织与缺陷的特征及形成原因;对两种状态试样进行室温拉伸试验,对比二者的力学性能,并采用体式显微镜及扫描电子显微镜对断口进行观察,分析断裂特征。结果显示:激光快速成型FGH96沉积态组织主要为垂直于熔覆界面的柱状晶,晶内为细密树枝晶,碳化物聚集于枝晶间;重熔区内枝晶结构明显粗大,显示为白亮色;激光快速成型FGH96材料中的主要缺陷为微裂纹,沉积态微裂纹存在于枝晶间,并沿晶界扩展;固溶时效后为典型沿晶裂纹;固溶时效后,FGH96中碳化物减少,组织更加均匀,晶粒尺寸减小,力学性能较沉积态有所提高。     

不同晶粒尺寸FGH96热处理临界冷速研究

在满足性能前提下,获取热处理工艺参数边界对优化FGH96涡轮盘性能意义重大,尤其是某一晶粒尺寸的FGH96合金在满足性能要求的前提下所需的最慢冷速边界。对不同晶粒尺寸、不同冷却速率的FGH96试样室温、650 ℃以及750 ℃的拉伸性能进行了研究,并对微观组织进行了观察。结果显示,和合金成分、晶粒尺寸、γ′尺寸和体积分数相关的多机制强化模型与实验测试结果吻合性好。利用该模型得到了最慢冷速与晶粒尺寸的匹配关系：当最慢冷速为55 ℃/min时,晶粒尺寸需小于14 mm;当最慢冷速为72 ℃/min时,晶粒尺寸需小于16.8 mm;当最慢冷速为81 ℃/min时,晶粒尺寸需小于20 mm。最慢冷速边界值与晶粒尺寸关系可为通过数值模拟指导热处理工艺的制定提供判据。     

稳定热处理后表面污染对FGH4097制件性能的影响

研究了FGH4097制件在稳定热处理后出现的表面污染变色对零件性能的影响。对FGH4097粉末高温合金模拟件稳定热处理变色后进行组织检查、能谱分析和硬度测试,以及对FGH4097变色盘件化学成分分析、合金试样在空气炉不同热处理温度下的变色情况和热处理1 h后室温拉伸性能检测。结果表明：FGH4097粉末高温合金制零件在稳定处理后的表面污染变色为零件表面被氧化,变色层为一层薄的氧化膜。经过性能试验验证,发现表面污染变色对零件性能的影响不大,能够满足使用要求。     

转速对FGH96/GH4169高温合金惯性摩擦焊接头组织与力学性能的影响

应用惯性摩擦焊机完成了FGH96/GH4169高温合金焊接,采用光学显微镜、扫描电镜以及拉伸试验机等设备观察并测试了焊接接头的微观组织形貌、显微硬度及拉伸性能。结果表明接头存在FGH96侧母材、热力影响区、焊缝区、GH4169侧热力影响区及母材五个区域,焊缝区组织为细小的等轴晶粒,晶粒尺寸远小于母材,热力影响区则发生了拉伸变形。接头近界面处最高温度达到1 100℃以上,超过γ'等强化相的固溶温度。焊后热力影响区处强化相部分重溶,在界面细晶区强化相几乎完全重溶。随着转速增大,焊缝区晶粒增大,典型原子的扩散距离增加,接头室温抗拉强度和高温抗拉强度值升高。     

新型第三代粉末高温合金FGH100L的显微组织与力学性能

采用喷射成形(SF)+热等静压(HIP)+等温锻造(IF)+热处理(HT)工艺制备第三代粉末高温合金FGH100L。研究固溶热处理温度和制备工艺对FGH100L合金的显微组织与力学性能的影响。结果表明,SF+HIP+IF态FGH100L合金显微组织对固溶温度的变化非常敏感,随固溶温度的升高(1110～1170℃),合金的晶粒尺寸长大,γ'强化相的尺寸先增加后减小,其硬度、室温/高温拉伸强度和塑性均呈先增大后减小的趋势。在固溶温度为1130℃时,FGH100L合金中3种尺寸的γ'相的数量平衡匹配较为合理,合金的显微组织特征最佳,合金的硬度和室温/高温拉伸性能均最高。且该温度下,FGH100L合金经SF、SF+HIP+HT和SF+HIP+IF+HT不同工艺处理后,晶粒尺寸先增大后减小;晶粒形貌发生了近球形-多边形-近球形的转变;SF+HIP+HT态合金晶粒尺寸增大,晶界弯曲程度较低。由于SF+HIP+IF+HT工艺使FGH100L合金发生再结晶,细化了晶粒,出现链状组织,形成弯曲晶界,合金具有更高的屈服强度;在SF+HIP+HT和SF+HIP+IF+HT工艺下合金的室温拉伸断口从沿晶脆性断裂转变为穿晶-沿晶混合断裂,高温拉伸断口为沿晶断裂。     

FGH96粉末高温合金损伤行为与寿命预测

粉末高温合金中缺陷,尤其是非金属夹杂缺陷不可避免。为了对粉末高温合金的可靠应用,除需在工艺上进行控制以减少缺陷外,还必须研究缺陷对粉末高温合金的损伤行为,及根据粉末高温合金的疲劳特性研究粉末高温合金的寿命预测方法。针对我国先进航空发动机涡轮盘选材的第二代损伤容限型粉末高温合金FGH96,分析了国内外粉末高温合金的发展与应用状况,叙述了其缺陷特性以及缺陷对FGH96粉末高温合金的影响规律,介绍了FGH96粉末高温合金的断裂特征以及裂纹萌生与扩展特性,分析了粉末高温合金寿命预测研究的相关工作,并探索性阐述了基于原始疲劳质量的粉末高温合金寿命预测方法。     

长期时效对FGH96粉末高温合金组织稳定性及性能的影响

研究了FGH96粉末高温合金经750℃长期时效1000和3000 h后的晶粒尺寸、晶界形貌、晶粒取向、γ'强化相和碳化物的演变规律及长期时效对合金650℃使用温度下拉伸性能的影响.结果 表明:750℃长期时效对合金的晶粒尺寸、晶界形貌和晶粒取向没有明显影响.然而,长期时效后,合金中γ '相形貌、尺寸和分布发生了显著的变化,大尺寸γ'相先长大后分裂再变小,平均尺寸变大、尺寸梯度降低、间距变大,由双峰分布最终演变为单峰分布;形貌由近球形、方状和蝶状先演变为不规则状,最终又演变回近球状、方状与蝶状.未长期时效合金的晶内和晶界处存在大量富含Ti、Nb元素的块状MC型的碳化物,并与MB型硼化物共存,经750℃长期时效3000 h后没有明显变化.而富含Cr元素的M23C6型小颗粒碳化物经750 ℃长期时效3000 h后,析出量增加并呈链状分布于晶界.长期时效后,FGH96合金650℃拉伸强度降低,塑性提高,主要原因是合金中的γ'相分裂、粗化及晶界处M23C6型碳化物析出呈链状分布所致.     

基于损伤力学的粉末高温合金FGH96疲劳寿命预测

以粉末高温合金FGH96为研究对象,提出采用损伤力学理论来建立寿命预测模型.对于不同夹杂物特征,粉末高温合金裂纹萌生有不同的表征参量,其数值变化为裂纹萌生的寿命预测提供思路.对粉末高温合金寿命预测的研究现状进行分析,然后利用损伤演变方程建立寿命预测模型;使用有限元软件(ANSYS)分别模拟夹杂物的不同位置、不同尺寸以及...     

高温低周疲劳损伤对FGH96合金力学性能影响的实验研究

通过设计FGH96粉末高温合金的高温低周疲劳试验和高温单轴拉伸试验,研究了不同应力水平下高温低周疲劳损伤对合金力学性能的影响,结合对断口形貌的观察和成分分析,分析了合金力学性能改变的微观机理。结果表明,受疲劳载荷作用期间位错运动的影响,合金的屈服强度、抗拉强度在损伤前期表现出上升的趋势;损伤后期,随着材料内部裂纹的不断增多及扩展,合金的弹性模量、抗拉强度不断退化。合金力学性能的变化与疲劳加载的应力水平表现出明显的相关性。断口显微组织分析表明,随着损伤程度的增加,合金高温拉伸断裂模式由韧性逐渐向脆性转变,高温氧化加速了断裂模式的转变。     

FGH96合金微观组织和力学性能调控研究

利用电子探针、场发射扫描电镜等先进检测手段分析了粉末冶金FGH96合金在不同固溶热处理条件下的组织演变和力学性能。结果表明：通过电子探针分析粉末冶金FGH96合金涡轮盘边缘部分,发现可观察到亮白色颗粒状的硼化物相,对照元素面扫描图像,可以判定硼化物相主要为富含元素W和Mo;随着固溶温度从1080℃增加至1160℃,抗拉强度和屈服强度都小幅度增加,而随着冷却速率的增加抗拉强度和屈服强度相应增加;通过不同固溶温度处理后FGH96合金的蠕变性能相当,而随着冷却速率的增加,蠕变抗力大大增加。     

FGH96、FGH97粉末盘的无损检测

通过对FGH96粉末、FGH97粉末镍基高温合金涡轮盘、篦齿盘无损检测方法研究,确定了粉末盘超声检测和荧光检测工艺。通过检测结果研究发现,热等静压+锻造态合金有利于超声检测,并发现了缺陷显示;直接成型热等静压态合金有利于荧光检测,并发现了缺陷显示。     

夹杂物对FGH95粉末高温合金切削加工力学特性的影响

FGH95粉末高温合金作为一种高强度、高耐热性的镍基高温合金,常用在制造先进航空发动机的压气机盘、涡轮盘、涡轮轴以及涡轮盘挡板等高温承力转动部件,是一种典型的难加工材料.FGH95粉末高温合金中非金属夹杂物的成分、含量、分类、形貌对粉末高温合金材料性能有着重要的影响.从切削加工角度,采用力学分析和显微镜观察的方法研究了FGH95粉末高温合金中非金属夹杂物对切削加工刀具的影响,分析了切削加工时非金属夹杂物的力学特性,提出了夹杂物在切削加工过程中的变形机理.     

热诱导孔洞对FGH97高温合金性能的影响

利用金相设备和力学性能测试装置检测含不同孔隙率的FGH 97高温合金的组织及力学性能，分析不同孔隙率对FGH97高温合金力学性能的影响。结果表明:随着孔隙率的增加，FGH97高温合金的室温屈服强度和抗拉强度降低，延伸率下降；Charpy冲击功随着孔隙率增加而显著下降；FGH97高温合金的拉伸和冲击断裂机制为微孔聚集型断裂，拉伸和冲击断口呈现大量韧窝特征；热诱导孔洞会促进裂纹的萌生和扩展。     

镍基粉末冶金FGH95高温合金的拉伸及低周疲劳性能研究

在420～650℃的温度范围内,研究了PM FGH95高温合金在应变率0.0001～0.01 s-1范围内的拉伸性能及在不同应力比R=-1及R=0下的低周疲劳性能.拉伸试验结果表明:在此温度范围内,应变率对弹性模量、拉伸屈服强度及塑性模量的影响可以忽略不计;并且应变率自0.0001 s-1增大至0.01 s-1时,弹性模量、拉伸屈服强度及塑性模量受温度的影响也不明显.PM FGH95合金受材料微结构的影响很大,材料含有的微缺陷对其力学性能有非常不利的影响.LCF试验结果表明:PM FGH95合金是循环硬化材料.当应力比R=-1时,温度对LCF寿命的影响很小;但在应力比R=0时,LCF寿命受温度的影响很大,且随着温度的增加材料的低周疲劳寿命减小.SEM断口扫描发现,断裂表面有很多的解理面,但没有疲劳条带,且此断裂模式下没有明显的塑性变形,所以FGH95合金的低周疲劳寿命几乎是由裂纹萌生阶段决定的.     

固溶热处理对新型镍基粉末FGH98Ⅰ高温合金组织与性能的影响

对新型镍基粉末高温合金(FGH98Ⅰ)在不同温度下进行固溶热处理,采用热力学相计算、光学显微镜、场发射扫描电镜及化学相分析等研究了亚固溶和过固溶合金的析出相和显微组织,并综合分析了组织与性能的关系。结果表明:FGH98Ⅰ合金经1130℃亚固溶和1190℃过固溶处理后的析出相均为γ’、MC、M23C6和M3B2等,未发现TCP(拓扑密堆)相。FGH98Ⅰ合金亚固溶热处理后晶粒稍有长大,存在尺寸不同的初次、二次和三次γ′相;过固溶热处理合金的晶粒明显长大,存在单模分布的二次γ′相;前者由于晶粒较小使强度更高,后者因减小二次γ′相尺寸和消除初次γ′相,PPB(原始颗粒边界)和残余枝晶,提高了合金的高温塑性和持久性能,说明不同晶粒尺寸和γ′相特征是FGH98Ⅰ盘件获得双性能的关键因素。     

Characterization of Interfacial Bonding Mechanism for Graphene-Modified Powder Metallurgy Nickle-Based Superalloy

A modified FGH96 superalloy using 0.1 wt% graphene was successfully prepared using the wet mixing method. The interfacial bonding mechanism between the graphene and the superalloy matrix was characterized using optical microscope, scanning electronic microscope, transmission electronic microscope and X-ray tomography. The results revealed that the graphene could be dispersed uniformly inside the matrix of the superalloy, and the bonding interface between graphene and the superalloy showed a rather diffusion instead of abrupt distinction, suggesting that the interface was formed via chemical fusion rather than a mechanical combination. The uniform dispersity of the graphene inside the superalloy matrix could improve the tensile properties significantly, including tensile strength, plasticity and yield strength.The existence of the graphene at the fracture surface further verified that the graphene could increase the effective bearing force of the material during the tensile test.     

基于损伤力学的含夹杂粉末高温合金FGH96低周裂纹萌生寿命预测

研究FGH96粉末高温合金中夹杂物对低周疲劳寿命的影响,提出基于损伤力学理论的低周裂纹萌生寿命预测模型,在建立损伤演化方程后提出损伤表征参数.对含夹杂物和不含夹杂物的粉末高温合金试样在530℃和600℃下进行疲劳试验,并对具有椭圆形、半椭圆形、多边形和条形表面/亚表面夹杂物的试样进行模型验证,然后通过有限元模拟进行应力...