合金元素复合化对Ti_(2)AlNb合金高温抗氧化性能影响EI北大核心CSCD

Ti_(2)AlNb合金具有良好的工艺性能、综合力学性能和较低的密度等性能优势,是新型航空发动机的重要选材之一。为拓宽Ti_(2)AlNb合金的应用范围,需对传统Ti_(2)AlNb合金进行合金成分优化和工艺组织调控以进一步增强其高温抗氧化性能。本研究在传统Ti-Al-Nb三元合金体系基础上,综合设计Mo,Zr,W等合金复合化的方法提高Ti_(2)AlNb合金的抗氧化能力,通过对新型Ti_(2)AlNb合金在750℃和850℃的氧化增重行为分析、氧化层特征结构分析、表面氧化物种类和合金成分过渡分布分析等,发现Mo合金元素引起Ti_(2)AlNb合金在750℃上升至850℃时抗氧化性能的明显下降,Zr合金元素则始终保持着Ti_(2)AlNb合金良好的高温抗氧化能力;更为深入的截面试样SEM表征可将氧化层结构细分为氧化物层、富氧扩散层和组织演变层,Zr和W合金元素对850℃高温氧化过程中不同氧化层结构具有协同抑制作用,因此提出通过Zr和W合金元素复合的方法作为新型Ti_(2)AlNb合金抗氧化合金成分优化方向。     

纳米WC增强选区激光熔化AlSi10Mg显微组织与力学性能EI北大核心CSCD

为了进一步增强选区激光熔化(SLM)成型AlSi10Mg合金的性能,采用物理混合方法混合纳米WC与AlSi10Mg得到WC质量分数为0.1%的WC/AlSi10Mg复合材料,利用选区激光熔化成型机制备试样块。通过对比同种工艺制备的AlSi10Mg试样,探究纳米WC对其微观组织形成、演变规律及其组织对力学性能的影响。结果显示,WC/AlSi10Mg粉末球形度好,粒度分布集中在20~60μm。WC/AlSi10Mg试样致密度达到99%以上,硬度约为158.89HV,相比AlSi10Mg试样增加了14.58%。WC/AlSi10Mg试样组织生长均匀、致密,有明显的熔池线。晶粒内部为α-Al基体,边界为夹杂着WC的共晶Si相。WC/AlSi10Mg试样屈服强度达到337.75 MPa,抗拉强度高达514.00 MPa,伸长率为3.78%,相比同种工艺AlSi10Mg试样分别增加了4.73%,6.25%和35.97%。因此,SLM成型WC/AlSi10Mg纳米复合材料零件相比AlSi10Mg零件具有更好的应用前景。     

Al含量对选区激光熔化Al_(x)CoCrFeNi(x=0.3,0.5,0.7,1.0)的显微组织及纳米压痕的影响EI北大核心CSCD

采用气雾化法制备预合金粉末,通过选区激光熔化(selective laser melting,SLM)制备Al_(x)CoCrFeNi(x=0.3,0.5,0.7,1.0)高熵合金。通过X射线衍射仪、扫描电镜以及纳米压痕实验,综合分析Al_(x)CoCrFeNi的物相、微观组织、硬度、杨氏模量及蠕变曲线,探讨Al含量对Al_(x)CoCrFeNi显微组织及纳米压痕的影响。结果表明:Al含量对物相组织有显著影响,其中Al_(0.3)CoCrFeNi与Al_(0.5)CoCrFeNi为FCC结构,Al_(0.7)CoCrFeNi和Al_(1.0)CoCrFeNi为BCC/B2结构。Al_(0.3)CoCrFeNi和Al_(0.5)CoCrFeNi主要由等轴晶组成,Al_(0.7)CoCrFeNi和Al_(1.0)CoCrFeNi主要由柱状晶组成。随Al含量增加,孔隙及裂纹等缺陷增加。在Al_(0.3)CoCrFeNi和Al_(0.5)CoCrFeNi中没有观察到明显的熔池形貌。随Al含量增加,样品残余应力增加。随Al含量增加,硬度增加,由Al_(0.3)CoCrFeNi的447HV增加至Al_(1.0)CoCrFeNi的567HV。Al_(0.3)CoCrFeNi杨氏模量约为273 GPa,Al_(0.5)CoCrFeNi约为233 GPa,Al_(0.7)CoCrFeNi和Al_(1.0)CoCrFeNi杨氏模量相近,分别为240 GPa和242 GPa,硬度与杨氏模量的变化主要与组织及物相有关。与传统蠕变曲线不同,Al_(x)CoCrFeNi的纳米压痕蠕变曲线只包括瞬时蠕变和稳态蠕变两个阶段,其蠕变机制主要为位错蠕变,其中Al_(0.7)CoCrFeNi具有最好的抗蠕变性能。Al_(0.3)CoCrFeNi具有最好的打印成形性,其屈服强度为702 MPa,伸长率为27.5%。     

激光选区熔化纳米SiC/AlSi7Mg复合材料微观组织及力学性能EI北大核心CSCD

采用机械混合法制备纳米SiC/AlSi7Mg混合粉末,利用激光选区熔化技术(selective laser melting,SLM)成形纳米SiC颗粒增强AlSi7Mg复合材料,观察和分析试样的相对密度、物相和微观组织,并测试材料的硬度和拉伸性能。结果表明:SLM成形纳米SiC/AlSi7Mg复合材料试样的相对密度随着扫描速度和扫描间距的增大均呈现先增加后减少的趋势,相对密度最高可达99.75%;试样微观组织与SLM成形铝合金相似,Si相呈网状结构均匀嵌入α-Al基体中,且在Al基体中存在与Si分布相似的纳米SiC团聚物及Mg_(2)Si相;与AlSi7Mg相比,复合材料微观组织由柱状晶转化为等轴晶,且晶粒明显细化(平均晶粒尺寸为1.36μm);由于SiC的加入,产生细晶强化和固溶强化,试样的硬度和强度均明显提高,硬度最高达到137.3HV,抗拉强度达到448.3 MPa,屈服强度达到334.7 MPa,但伸长率下降至3.9%,断裂模式主要为脆性断裂。     

激光选区熔化成形含钛6061铝合金的显微组织与力学性能EI北大核心

激光选区熔化(selective laser melting,SLM)成形6061铝合金易形成粗大的柱状晶和热裂纹。采用低能球磨组装修饰法制备TiH_(2)/AA6061铝基复合粉末,采用激光选区熔化技术制备含钛6061铝合金试样,分析不同TiH_(2)添加量对试样显微组织和力学性能的影响。结果表明:添加1%TiH_(2)(质量分数,下同)即可使合金熔池边界形成连续的等轴晶区,平均晶粒尺寸从59.8μm减小到2.53μm,粗大的柱状晶粒和裂纹被抑制,添加1.5%TiH_(2)时,SLM试样的粗大柱状晶组织绝大部分消失。显微组织转变归因于Ti元素增强成分过冷以及原位反应形成L12-Al_(3)Ti形核质点,该质点与铝基体形成共格界面,具有较强的异质形核作用,显著促进Al基体柱状晶向等轴晶转变及晶粒细化。经激光选区熔化成形后,添加1%TiH_(2)的试样抗拉强度为274 MPa,屈服强度为238 MPa,断后伸长率为18%。     

热等静压/热处理工艺对激光选区熔化成形GH4169合金微观组织与拉伸性能的影响EI北大核心CSCD

采用激光选区熔化(SLM)成形技术制备GH4169合金,利用金相显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、电子背散射衍射(EBSD)和透射电镜(TEM)等分析热等静压/热处理工艺对SLM成形GH4169合金微观组织及拉伸性能的影响规律.结果表明:沉积态合金组织中,沿沉积方向的晶粒为柱状晶,晶粒内枝晶组织细小,枝晶间分布大量Laves相;经热等静压后,合金中的气孔及Laves相可被有效消除,沿沉积方向的晶粒转变为等轴晶;经980℃/1 h固溶处理后,合金中的晶界处析出大量短棒状δ相.热等静压/热处理后G H4169合金试样的室温及650℃拉伸性能均高于锻件标准要求的力学性能指标,且温度对断裂方式影响不大.     

电子束选区熔化(SEBM)增材制造高温合金研究进展

高温合金具有优异的抗氧化、耐腐蚀等性能,被广泛应用于航空发动机热端部件。以激光、电子束等高能束流为热源的增材制造(additive manufacturing, AM)技术在制备复杂结构高温合金部件方面具有显著优势：不仅能缩短生产制造周期、降低研发成本,而且能够细化合金组织,提高合金力学性能。但随着高温合金中铝、钛含量的增加,γ′相体积占比增大,合金高温力学性能提升的同时也造成其可焊性差,给增材制造该类高温合金带来挑战。与激光选区熔化(selective laser melting, SLM)技术相比,电子束选区熔化(selective electron beam melting, SEBM)技术可通过粉末床预热缓解合金凝固热应力,有利于降低增材制造时的热裂倾向。针对近年来国内外SEBM技术制备镍基高温合金、钴基高温合金等合金所涉及的工艺参数、微观组织、力学性能及应用等方面进行了综述,包括作者课题组新近的成果,并指出该领域的未来发展方向。     

热处理对激光选区熔化成型高速钢组织和力学性能的影响EI北大核心CSCD

基于激光选区熔化(selective laser melting,SLM)技术,采用加热打印基板和低功率慢扫描的打印策略,制备了近全致密、低缺陷的高速钢样品;对比分析了固溶淬火及1~4次高温回火等热处理工艺对高速钢显微组织及力学性能的影响。结果表明:SLM极高的熔融/冷却速率产生了细晶奥氏体组织,解决了高速钢中常见的粗大莱氏体组织和网状碳化物问题。固溶淬火处理后高速钢组织由马氏体和残余奥氏体组成。随后在数次高温回火过程中,高速钢逐渐向回火马氏体转变,并析出大量微米级和纳米级MC型碳化物。在马氏体相变强化和MC型碳化物沉淀强化作用下,固溶淬火+3次回火的Tempered-Ⅲ样品硬度60HRC,抗弯强度3621 MPa,弯曲断裂应变为10.1%,获得硬度、强度和韧性匹配较佳的综合性能。继续增加回火次数则导致部分碳化物长大,使得高速钢弯曲断裂应变有所降低。通过SLM技术结合固溶淬火+高温回火,能够充分发挥细晶强化、相变强化和沉淀强化效果,为高强高韧复杂形状高速钢零件的快速制备提供了新途径。     

电子束选区熔化制备金属材料研究与应用

自20世纪80年代电子束选区熔化(SEBM)技术问世以来,其因高沉积效率、 无污染、 高成形质量等优点在制备技术、 成形材料和应用领域得到广泛研究,目前在生物医学、 汽车工业、 航空航天等领域有大量研究与应用.首先,介绍了SEBM技术及原理;其次,总结了近些年SEBM技术在钛基合金、 铁基合金、 铝基合金、 铜基合金、...     

粉末床电子束3D打印医用金属材料的研究进展

从材料研究的角度,综合评述了粉床电子束3D打印(SEBM)装备与技术的最新进展,对SEBM打印的骨科植入医用金属材料的力学性能以及存在的问题进行了总结。对未来SEBM技术在骨科植入材料领域的发展提出了若干建议。重点讨论了目前制约3D打印技术在骨科植入材料领域规模应用的限制因素和解决方法。     

电子束快速成形TC4合金的组织与断裂性能

利用超景深显微镜和扫描电镜对电子束选区熔化快速成形的沉积态TC4试样组织与断口形貌进行观察和分析,研究不同几何成形和加载方向对断裂性能的影响。结果表明,断裂性能在垂直试样中受到柱状晶组织的影响,具有各向异性,在沉积方向上的断裂韧度为94.94MPa·m^1/2,大于电子束扫描方向的断裂韧度85.33MPa·m^1/2,而伸长率很小,仅为3%;α相形态对断裂性能有影响:水平试样片层状的α集束组织伸长率及断裂韧度优于垂直试样相互交错的针状α组织,最大值为14.5%和101.45MPa·m^1/2,而抗拉强度和屈服强度较小;电子束选区熔化制备的TC4试样断口由许多不同尺寸的韧窝和弯曲的撕裂棱组成,断裂方式以延性韧窝状沿晶断裂为主,水平试样的断口撕裂棱曲折程度、韧窝尺寸和深度大于垂直试样。     

Ti2AlNb合金构件全流程模拟及组织性能预测

金属构件的塑性加工不仅需要控制其形状尺寸,还要调控其微观组织和力学性能,以获得满足服役要求的产品。构件成形结束后,常需要通过热处理工艺调控其组织和性能,但由于成形过程中的变形参数影响其热处理前的微观组织,因此,也影响到其热处理过程的组织演变,进而影响构件的服役性能,导致热处理调控更加复杂。本文基于机器学习的方法,考虑变形参数对热处理的影响,建立了Ti₂AlNb合金构件高温成形过程微观组织和力学性能的预测模型,并与有限元模拟软件结合,建立了Ti₂AlNb合金构件成形-热处理的全流程模拟方法。本文通过该方法对Ti₂AlNb管材高温压制-时效处理工艺进行了全流程的模拟,模拟结果表明变形和热处理参数均会对成形构件的组织和力学性能产生影响。进而通过成形和热处理实验对模拟结果进行了验证,模拟结果与实验结果的一致性较好。说明通过该方法,可以实现构件成形-热处理全流程的模拟和组织-性能预测,可用于指导加工工艺的制定。     

Ti2AlNb基合金薄壁构件热成形工艺研究

为研究Ti₂ALNb基合金薄板的工程化应用,对轻质耐高温材料Ti₂AlNb基合金冷轧薄板进行了冷成形、热成形和热处理实验研究,获得了该合金的热成形、热处理性能及优选的工艺参数,并进行了该合金带翻边薄壁锥筒的热成形工艺试验.结果表明:Ti₂AlNb合金薄板在900 ℃下保温2 h后空冷可实现筒形件的热校形获得稳定外形;在不低于850 ℃条件下可实现带翻边焊接筒体件的热成形,并且在同一次热循环过程中可实现零件的热处理,获得尺寸精度及组织性能都能满足要求的大尺寸工程零件.     

电子束熔炼制备块体钨的组织与显微硬度研究

钨材料具有极高的熔点,传统上采用粉末冶金方法制备,获得的钨材料具有晶粒细小、微观组织均匀等优点, 但致密性不足。为进一步提升钨材料的性能,本研究将98.3%的钨粉和1.7%的碳粉均匀混合,在1 800 ℃、26 MPa条件下热压成型,而后采用电子束熔炼技术对成型后的钨块进行熔炼,利用金相显微镜、SEM、显微硬度计等对其显微组织、致密度和显微硬度进行评价,并与传统粉末冶金法制备的块体钨的性能进行了对比。结果表明:电子束熔炼制备的钨锭冶金质量好,致密度可达99.8%;试样的显微硬度达到9.16 GPa,显著高于粉末冶金法制备的块体钨材料,突破了热压烧结工艺制备块体钨的致密度-显微硬度的关系;经1 300 ℃、6 h退火热处理后,显微硬度略有下降,但仍达到8.86 GPa,显示出电子束熔炼技术在制备块体钨硬度性能方面的优势。     

新型Ti-650合金电子束焊接头组织及性能研究

采用电子束对新型耐650 ℃使用的高温钛合金板材进行焊接,并进行1 000 ℃/1 h/AC+700 ℃/4 h/AC的退火处理,研究了接头的组织、硬度分布,母材和接头的拉伸性能和持久性能.结果表明,接头组织由α相、少量β相、以及大量细小的再结晶α相构成.接头中母材、热影响区和焊缝的显微硬度值比较均匀,介于440~490HV之间.室温条件下,母材和接头的抗拉强度均高于1 000 MPa,延伸率均介于7%~10%;650 ℃拉伸,母材抗拉强度达到了750 MPa,延伸率最高达20%;接头的抗拉强度在700 MPa以下,延伸率在10%~14%之间.接头与母材的持久断裂均是由孔洞聚集形成微裂纹,在力的作用下不断扩展,直至最终断裂.而接头中柱状晶的晶界促进了裂纹的扩展,所以母材的持久寿命和应变优于接头.根据结果分别得出了650 ℃下接头和母材应力与寿命的关系式.     

热等静压温度和粉末粒度对Ti2AlNb合金组织与性能的影响

采用无坩埚感应熔炼超声气体雾化法制备了成分为Ti-22Al-24Nb-0.5Mo(原子分数, %)的预合金粉末,通过预合金粉末热等静压工艺制备了Ti₂AlNb粉末冶金合金。研究结果表明,热等静压温度显著影响Ti₂AlNb粉末冶金合金的显微组织,需严格控制。为了对比研究,选取了平均粒度分别为70 μm和200 μm的两种Ti₂AlNb预合金粉末,制备坯料并测试性能,探讨了粉末粒度的选取原则,分析了粉末粒度对Ti₂AlNb粉末冶金合金显微组织和力学性能的影响。研究结果表明,粉末粒度对合金室温拉伸强度无显著影响,但会对高温拉伸强度和高温持久寿命产生显著影响,由粗粉(平均粒度200 μm)制成的合金高温持久寿命较细粉(平均粒度70 μm)的降低大约40%。