镍基高温合金增材制造研究进展EICSCD

镍基高温合金因其优异的高温强度及耐腐蚀、抗氧化性能而备受关注,被广泛应用于航空航天等领域。本文对增材制造镍基高温合金的制备方法、常见牌号以及合金的组织与性能进行了综述,总结了当前存在的问题,提出了未来值得探索的研究领域。金属增材制造技术制备的镍基高温合金具有良好性能,能实现复杂构件精密成形,且制备过程中材料浪费少,有望成为未来航空航天等领域中镍基高温合金构件的重要制备工艺。常见的镍基高温合金增材制造方法有粉末床熔化、定向能量沉积和电弧增材制造等,粉末床熔化被广泛用于制造高精度和复杂零件,但制造速度相对较慢,且设备和材料成本较高。定向能量沉积自由度和灵活性更高,可用于制备功能性梯度材料,但精度较低。电弧增材制造具有较低的设备成本和材料成本,适用于大型零件的快速制造,但其制备的合金表面粗糙度较差,需要进行额外的加工或后处理。在增材制造过程中被广泛研究的镍基高温合金包含IN625,Hastelloy X等固溶强化型和IN718,CM247LC,IN738LC等沉淀强化型高温合金。与传统的铸造和锻造方法相比,增材制造独特的逐层成型、快冷快热的制备过程带来了粗大的柱状晶粒组织和大量细小晶粒的独特微观组织,还形成了独特的熔池组织及位错胞结构。但是,通过增材制造得到的合金一般还需要进行热处理,对晶粒组织、析出相等进行调控,从而影响合金的力学性能。此外,增材制造镍基高温合金的力学性能还与具体制备方法和合金种类有关。尽管目前增材制造已被广泛用于镍基高温合金的制备,但仍面临组织与性能存在各向异性、高性能合金开裂敏感性高以及缺乏相应的规范和标准等问题,将来需要在热处理、专用合金的定制与开发、探索工艺-结构-功能关系以及计算建模等方面深入探索。     

增材制造镍基高温合金研究进展

镍基高温合金具有强度高、抗氧化能力好、蠕变强度和持久强度好以及抗燃气腐蚀能力的特点,被广泛应用于航空航天、汽车通讯、船舶制造等领域.近年来,增材制造技术的进步加速了增材制造镍基高温合金的发展.激光增材制造对于镍基高温合金的制备具有独特的优势,如生产周期短、成本低以及可进行功能预设等.对于航空发动机及燃气机轮中喷嘴、燃烧室等热段部件以及航天飞行器等复杂零件的成形制造非常有利.目前,相关方面的研究热点主要有激光增材制造过程中凝固组织的变化规律、工艺参数与熔池宏观形态间的关系、残余应力的分析以及缺陷的探究.本文综述了增材制造技术制备镍基高温合金的研究进展,简要概括了增材制造技术和镍基高温合金的发展概况,总结了用增材制造技术制备的镍基高温合金成形件的显微组织、后处理后组织的变化及其对力学性能的影响,最后阐述了增材制造镍基高温合金成形件存在的缺陷及解决方法.     

航天用镍基高温合金及其激光增材制造研究现状

新型航天器用镍基高温合金部件呈现出复杂化、薄壁化、复合化、一体化的发展趋势,使得传统的铸造或锻造加工技术无法胜任。基于逐层堆积的激光增材制造(LAM)技术是实现这类复杂部件制备的理想解决方案,能够进一步赋予高温合金更高的价值,极大地推动航天装备的发展。首先介绍了航天领域常用的镍基高温合金种类,然后以研究最多的IN 718和IN 625合金为例,总结了镍基高温合金增材制造的研究现状:归纳了镍基高温合金增材制造工艺优化方法,表明增材制造综合加工图和实验设计方法是两种行之有效的方法;指出了增材制造镍基高温合金材料的微观组织特点,讨论了增材制造后续热处理对材料微观组织和力学性能的影响规律,表明增材制造技术极快速冷却的特点引起镍基高温合金材料内部存在普遍的局部微观偏析现象,导致常规热处理工艺不再是最优工艺;并通过5个典型的增材制造镍基高温合金航天构件案例展示了增材制造技术的优势。在此基础上,针对镍基高温合金增材制造过程中存在的关键科学问题和技术难题,展望了增材制造镍基高温合金未来的研究方向。     

镍基高温合金CM247LC增材制造研究进展

航空航天领域的热端部件逐渐呈现结构复杂化和高耐热高承载的发展趋势,高温合金增材制造已成为高耐热承载复杂结构部件成形制造的重要技术方案。主要介绍了增材制造CM247LC合金微观组织特点,并对冶金缺陷形成机理与消除方法进行了综述。已有研究表明,增材制造CM247LC合金具有精细的晶粒尺寸,表现出强烈的<001>织构,增材制造CM247LC合金的胞界处存在尺寸约50 nm的颗粒状γ’相,并且胞界处存在Ti、Hf、Ta、W、C等元素明显富集的碳化物。裂纹是CM247LC合金在增材制造过程中最难以解决的冶金缺陷,仅通过优化工艺参数难以真正解决裂纹缺陷,合理优化成分有望实现裂纹消除,但优化了成分的合金在增材制造后的全面性能有待进一步评估。     

镍基单晶高温合金的增材制造修复研究进展

镍基单晶高温合金因其优异的高温强度、抗氧化性和抗蠕变性能被广泛应用于航空航天领域。单晶涡轮叶片在服役过程中极易受到损伤,损伤的修复再制造技术具有显著的经济价值,增材制造则为高温合金零件的修复提供了新途径。增材制造在CMSX-4、DD6等合金单晶叶片的修复中已得到初步实现,为确保修复后的叶片能够满足服役要求并投入生产实践,仍需解决修复层存在的裂纹、杂晶和气孔等问题。通过改善工艺参数、改变基材晶体取向、优化沉积或扫描策略等方法可实现单晶组织无缺陷和连续的外延生长,但其工艺窗口的确定和性能控制仍面临挑战。此外,针对增材制造修复单晶叶片的研究目前主要集中于定向能量沉积技术,对于激光粉末床熔融技术和电子束熔融技术,目前的研究尚处于起步阶段,仍需建立相关理论和探索工艺窗口。数值模拟在增材制造工艺参数研究中具有预测性、可视化和高效性等优势,通过建立熔池的热力学模型和动力学模型,可以有效预测增材制造过程中的热量传递、熔池形貌、金属液流动以及修复区应力分布等多物理场,并深入理解工艺参数与材料微观结构以及性能之间的关系,进而为优化工艺参数、避免孔隙和缺陷的形成、改善修复区微观组织、提高修复精度提供相应的参考。     

增材制造技术在高温合金零部件成形中的应用

高温合金是指能够在600℃以上复杂应力状态下长期服役的金属材料,被广泛应用于航空航天以及核工业等领域.近年来,增材制造技术发展迅速,并且已经在高温合金零部件成形制造领域进行了大量应用探索.首先分别介绍了基于送粉和送丝的两种典型增材制造技术,以及利用以上两种技术成形得到的高温合金零部件微观组织形貌特征.由增材制造得到的高...     

Inconel 625镍基高温合金激光增材制造内应力控制方式研究

基于有限元分析的方法,结合镍基高温合金的材料特性和增材制造工艺特点,对提出的几种激光增量制造内应力控制方式进行了数值模拟分析。模拟结果表明,提出的几种内应力控制方式如:单点预热应力控制方法、激光表面扫光内应力控制方法、基于环境温度的内应力控制方法及先分区成形再整体连接的内应力控制方法,都可有效去除激光增材制造加工过程中产生的内应力,几种方式简单易行,具有较强的工程实际意义。     

激光增材制造FGH96镍基高温合金柱状晶微观组织研究

利用EBSD技术对激光增材制造FGH96镍基高温合金的柱状晶显微组织进行了研究,结果表明:激光增材制造FGH96镍基高温合金基本上为柱状晶组织,接近表面生成细小等轴晶。所制备不同厚度合金中的组织和织构存在差别,厚度为2mm时,组织主要以具有15°小角度晶界的柱状晶为主,大角度晶界只占约4%,柱状晶大部分为立方织构{001}〈100〉,含量为83.3%;厚度为5mm时,组织主要为柱状晶和等轴晶,柱状晶中全部为10°以下小角度晶界,柱状晶区域织构主要是{001}〈120〉和{001}〈230〉,含量分别为34.8%和43.3%,等轴晶区域主要存在一种织构{113}〈141〉,其含量为98.3%,等轴晶中主要存在5°以下的小角度晶界。     

钴基高温合金增材制造研究现状及展望

钴基高温合金是一种在高温下具有高强度、良好的耐热、耐磨和耐腐蚀性能的材料,被广泛用于航空航天等领域。钴基高温合金增材制造技术具有材料利用率高、制造周期短和能够制造较为复杂零件等优点,相对于传统制造技术有巨大的优势,受到了社会的广泛关注。对钴基高温合金的合金化原理进行了阐述,总结了国内外钴基高温合金增材制造所使用的不同工艺方法,重点对钴基激光增材制造技术、钴基电子束激光增材制造技术进行了分析,综述了各种方法的研究现状和最新成果。评价了钴基高温合金增材制造技术在材料利用率、内部缺陷、成形精度、相关标准化方面的不足,并对钴基高温合金增材制造技术发展方向提出了预测。     

高温合金增材制造标准分析

增材制造技术发展迅猛,在航空航天领域应用前景广阔,增材制造技术标准化工作也日益受到国内外相关机构的重视,并逐步开展相关工作。在简述国外金属增材制造标准发展的基础上,以典型高温合金增材制造标准为例,对粉末标准、力学性能要求、检测标准和方法等进行了总结,并对我国高温合金增材制造标准化工作提出了建议和展望。     

增材制造高熵合金研究进展

高熵合金(High-entropy alloys, HEA)由于具有优异的力学性能、抗高温氧化性能、耐腐蚀性能等优点,受到了越来越多学者的关注。目前高熵合金的制备一般采用传统的铸锻轧,这对于制备一些形状复杂的高端零部件和超细晶组织是一种严峻的挑战,而采用增材制造(Additive Manufacturing,AM)技术是解决上述问题的一个有效途径。重点阐述了国内外近年来在高熵合金增材制造材料种类、快速凝固非平衡组织演化、裂纹等成形缺陷、力学性能及成形特征方面的研究进展,为增材制造高熵合金进一步发展提供一定参考。最后,对增材制造高熵合金的研究进展进行了总结,并对增材制造高熵合金成分的设计提供了一定的思路。     

面向单晶高温合金叶片的激光增材制造修复研究进展

镍基单晶高温合金因其卓越的高温性能,成为航空航天发动机及燃气轮机涡轮叶片的关键材料。复杂的服役环境常导致叶片损伤,但传统修复方法难以满足其对微观组织和力学性能的严格要求。激光增材制造技术作为一种先进的修复方法,能够在较小的热影响区内实现材料的高精度修复,展现出显著的技术优势。然而,激光增材制造技术修复单晶叶片仍面临如何保持单晶完整性、控制冶金缺陷、优化狭窄工艺窗口等问题。此外,激光增材制造修复后热处理制度仍不完善,热处理后产生的再结晶等缺陷会严重影响单晶高温合金叶片的持久、蠕变等力学性能。本文综述了激光增材制造修复镍基单晶高温合金叶片的研究进展,重点探讨了修复过程中裂纹、杂晶缺陷的控制,梳理了对修复后热处理制度的探索历程并总结了激光增材制造镍基单晶高温合金力学性能的相关研究。最后对未来研究方向和发展趋势进行了展望。     

高熵合金增材制造研究进展

基于不同的高熵合金(high-entropy alloys,HEAs)体系,综述了增材制造高熵合金的最新研究进展,阐述了不同成分高熵合金增材制造的快速凝固微观组织、偏析和析出行为,着重分析了增材制造高熵合金的力学性能、变形及强化机理.指出不同的高熵合金体系应选择适合的增材制造工艺,并且成型质量的影响因素还有待进一步研究,最后提出利用增材制造技术可以研发和制备出具有优异强度-塑性组合的高熵合金.     

激光增材制造单晶高温合金研究进展

镍基单晶高温合金具有良好的高温强度、抗氧化和抗腐蚀性能、抗蠕变性能和组织稳定性,被广泛应用于制造航空发动机和燃气轮机叶片。由于其工作条件复杂恶劣,采用有效手段修复单晶叶片可以大大提高其使用寿命。综述了激光增材制造技术制备单晶高温合金的研究现状,介绍了激光增材制造技术制备单晶合金的理论基础,以及控制其单晶凝固组织的困难和不足,着重综述了激光增材制造技术控制单晶高温合金凝固制造的方法,主要包括通过激光参数调控温度梯度及凝固速率,以及通过基体晶体取向控制晶粒外延生长。最后,展望了该领域未来的主要研究方向和发展前景。     

微量元素对镍基高温合金微观组织与力学性能的影响

在高温环境中镍基高温合金具有良好的高温强度、抗氧化性能、抗腐蚀性能和抗疲劳性能,被广泛应用于航空航天等领域。镍基高温合金优异的综合性能与其微观组织紧密相关。综述了微量元素B, C, Y, Ce, Hf, Re, Ru, P对镍基高温合金微观组织及其力学性能的影响。针对不同的镍基高温合金,对微量元素的不同作用进行讨论分析。镍基高温合金微观组织及其力学性能与微量元素的含量及其分布有关。添加于镍基高温合金中的微量元素分布在合金基体或者其析出相中,通过偏聚于晶界处或者元素偏析等方式,改变合金的微观组织,从而影响其力学性能。     

Inconel 625镍基高温合金激光增材制造翘曲变形行为研究

为了明晰激光增材制造翘曲变形行为,获得相关变形规律。对Inconel 625高温合金激光增材制造工艺对零件变形量的影响进行了分析,实验结果表明:扫描路径的长度决定翘曲变形量的大小;不同工艺参数对翘曲变形量的影响程度不同;激光增材制造加工过程一般会同时引起两个方向的翘曲变形;同时翘曲变形量随着激光功率的增加而增加,随着扫描速度的增加而增加,随着送粉速度的增加而减少。     

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。     

喷射成形镍基高温合金的研究进展

喷射成形是一种新型快速凝固技术,采用这项技术制备的镍基合金,具有细小,球状的晶粒和均一的组织,从而提高其性能,综述了喷射成形镍基高温合金的发展概况及组织,性能特点。