基于微观组织演变的DZ125定向凝固高压涡轮叶片服役温度场的评估方法研究

以服役900 h的DZ125合金叶片为研究对象,通过对叶片服役前后的枝晶干、枝晶间、晶界及碳化物各类组织退化行为的研究,确定了枝晶干g'相的体积分数作为反映服役温度的可量化表征参量.结合叶片用DZ125合金在900~1100℃下显微组织的演变行为,研究了热暴露温度与枝晶干g'相体积分数之间的量化对应关系.在此基础上,提出了一种基于显微组织的涡轮叶片服役温度的实验评估方法.同时,分别假设叶片服役温度恒定以及考虑叶片实际服役温度变化2种情况,实现了对等效平均服役温度(T_(ave))及等效最高服役温度(T_(max))的定量评估.评估结果表明:叶片叶身中部服役温度最高,由叶身中部向叶尖和叶根服役温度逐渐降低;同一截面服役温度由高到低依次为:进气边叶盆排气边叶背;服役温度最高的区域为叶身中部截面的进气边,服役时经历的等效最高服役温度为1050~1100℃.叶片等效平均服役温度及等效最高服役温度的分布规律一致,但部分部位的等效最高服役温度高于等效平均服役温度,本研究认为叶片的等效最高服役温度的评估结果更为合理.     

DZ125定向凝固合金的再结晶行为研究

研究了DZ125定向凝固合金发生再结晶的温度条件以及吹砂条件对其再结晶行为的影响。结果表明：铸态和热处理态DZ125定向凝固合金开始发生再结晶的温度基本相同,均在1000—1050℃范围内;该合金的再结晶深度随热处理温度的升高而增大,当热处理温度低于1150℃时,增大的幅度较小,当温度超过1150℃后,再结晶深度迅速增大,γ相的溶解是DZ125合金再结晶的控制因素;随着吹砂压力或吹砂时间的增加,DZ125合金表面变形量增大,再结晶深度也随之增大。     

DZ125定向凝固合金的喷丸工艺

针对DZ125合金开展铸钢丸喷丸强化研究,分析了多种喷丸强度、覆盖率条件下合金700℃旋弯疲劳性能、表面残余应力和硬度梯度.结果表明:随喷丸强度的增大,中值疲劳寿命估计量逐渐增大,高喷丸强度时,700℃/500 MPa中值疲劳寿命估计量是原始试样的2倍;随表面覆盖率的增大,中值疲劳寿命估计量呈现先增大后稳定的趋势,当覆...     

定向凝固高温合金DZ125的修复热处理

对实际生产中叶片在真空热处理工序可能出现的问题，如设备故障造成的欠温、保温不足、冷却速度偏低等进行了模拟，研究了修复热处理对DZ125合金组织和性能的影响。结果表明，出现上述情况时，可以对DZ125合金叶片进行修复热处理。     

定向凝固铸造高温合金DZ125热处理工艺的研究

研究了一步和三步两种热处理工艺对DZ125合金组织及性能的影响。结果表明：采用三步热处理工艺可明显改善显著组织。1180℃预处理消除了合金中的低熔点相，有效地抑制了合金的初熔，提高了合金的固溶温度，随着固溶温度的提高，元素枝晶偏析减轻，共晶中的γ′相和初生的粗大γ′相固溶量增加，在随后的冷却和时效过程中析出较多细小γ′相，1100℃高温时效调整了细小γ′相的尺寸和形状，使合金中温，高温持久寿命比一步热处理有不同程度提高。     

DZ125定向凝固高温合金的超声疲劳行为研究

利用超声疲劳试验方法研究DZ125合金在105～109循环周次范围内的疲劳性能,其载荷频率为20kHz.结果表明:DZ125合金疲劳断裂寿命在105～108循环周次范围内;扫描电镜观察表明,DZ125合金的超声疲劳裂纹均起源于表面,疲劳断口的起源区由多个斜面组成,存在明显的滑移台阶形貌特征,从合金的超声疲劳裂纹扩展形态...     

定向凝固低压涡轮叶片渗铝硅工艺研究

在工厂条件下对ＡＳＬ－５铝硅涂层工艺进行了试验，确定了工艺参数。分析研究了铝硅涂层组织结构。试验结果表明该涂层可以显著提高涡轮叶片的抗氧化和抗热腐蚀性能，涂层对基材的机械性能影响不大。     

流动对DZ125合金定向凝固组织的影响

通过电磁感应加热和液态金属冷却相结合的实验方法,制备了不同流动强度下的DZ125高温合金定向凝固试样,并且引入泰勒数对流动强度进行定量表征,以研究不同流动强度对凝固组织的影响。结果表明：随着流动强度的增大,枝晶的定向性逐渐变差;随着泰勒数从900增大到38300,一次枝晶间距从124．6μm变化至103．2μm、84．0μm、76．9μm,呈指数衰减。     

DZ125高温合金涡轮叶片的性能恢复热处理

高温合金涡轮叶片长期服役存在组织老化和性能退化问题,通过热处理对长时服役叶片的微观组织进行调整,恢复其性能并使其具备再次装机使用的能力,有助于降低发动机大修成本。本文以某型号飞机发动机DZ125高温合金涡轮叶片为研究对象,分析热处理工艺对长时服役叶片性能恢复的影响,并进行了详细的组织观察,结果表明:高温合金叶片老化的主要原因是晶间析出碳化物,γ'强化相粗化变大,出现球化和筏化现象等。经过热处理后,长时服役叶片组织得到一定程度恢复,椭球形γ'相粒子已经全部成长为立方状,γ/γ'相共晶区域面积增大,碳化物重新融入晶体,微观组织形态与新叶片基本相同。     

基于蠕变损伤的定向凝固DZ125合金恢复热处理研究

以涡轮叶片用DZ125合金为研究对象,通过蠕变中断实验模拟涡轮叶片的服役损伤,并分别在1230,1240和1250℃进行恢复热处理,随后再次进行与恢复热处理前相同条件下的蠕变中断实验,对比研究了恢复热处理对DZ125合金蠕变退化组织与性能的影响.结果表明,DZ125合金在980℃,207 MPa条件下经蠕变中断实验与恢复热处理后,引发再结晶的临界应变量介于3.5%~10.0%之间.1230℃固溶热处理部分消除了合金在1.0%蠕变过程中形成的粗大g'相,导致其经2次时效处理后的基体组织中g'相大小不均匀,从而部分恢复其原有性能.固溶温度进一步提高至1240~1250℃,不仅消除了粗大g'相而且显著降低了残余共晶g'相含量,并在时效处理后获得均匀组织.因此,恢复热处理的效果得到显著提高,达到甚至超过原有性能.     

DZ125合金涡轮叶片荧光缺陷分析及解决方法

通过扫描电镜对产生荧光缺陷的叶片铸件的显微形貌和化学成分进行分析,确定了叶片荧光显示缺陷是由合金及外来碳元素与型壳材料发生反应产生的。通过降低浇注温度和完善型壳焙烧工艺,消除了铸件表面的冶金缺陷。     

DZ125高温合金定向凝固微观组织的CA法模拟

采用伪二元相图法对DZ125多元合金进行了简化,并用二维Cellular Automaton(CA)法模拟了合金定向凝固微观组织.通过采用不均匀连续形核模型,在考虑到枝晶生长动力学的基础上,模拟了不同抽拉速度下合金定向凝固组织形貌,枝晶界面形态以及一次枝晶间距的变化,说明树枝晶竞争生长中存在"分枝"与"淹没"的机制;并且随凝固速率的增加,合金凝固组织从分枝较少的胞状树枝晶向分枝发达的树枝晶转变.模拟的一次枝晶间距从凝固速率为50 μm/s时的132 μm减少到凝固速率为500 μm/s时的69 μm.模拟结果与实验结果吻合较好.     

合金状态对DZ125定向凝固高温合金再结晶的影响

对定向凝固高温合金DZ125合金进行表面喷丸处理,然后在1000~1230℃加热4 h,研究铸态、固溶态和标准热处理状态DZ125合金的表面再结晶行为。结果表明:在表征喷丸强度的Almen值为0.17 mm时,3种状态的合金出现再结晶的温度分别为铸态1000℃、固溶态1050℃和标准热处理态的1100℃。3种状态加热温度为1150℃及以下均产生胞状再结晶,在相同实验条件下,3种状态合金的再结晶表现为铸态再结晶层最深、其次是固溶态,然后是标准热处理态。可以通过先固溶处理再吹砂然后时效处理的工艺来替换铸态吹砂然后热处理的工艺来降低生产过程中产生的再结晶层厚度,进而降低再结晶对力学性能的影响。     

DZ125定向凝固合金疲劳-蠕变性能与寿命预测研究

对DZ125合金分别进行了980℃的无保载（PP型）、压缩保载（PC型）、拉伸保载（CP型）和拉伸一压缩都保载（CC型）应变控制的疲劳一蠕变试验研究。试验结果表明：在980℃下,PP型载荷形式下该材料的循环应力响应行为不明显。CP型、PC型和CC型载荷形式下该材料表现出明显的循环软化现象,循环应力响应行为与应变水平有明显的相关性。在相同的总应变范围下,疲劳寿命存在NPP〉NCPP〉NPC〉NCC的关系,疲劳寿命的差别在应变水平越低时越明显。对DZ125合金疲劳一蠕变寿命预测研究发现：三参数能量方法的寿命预测结果无论是从标准差,还是分散带角度都明显比应变范围区分法的寿命预测精度大大提高。     

激光成形修复定向凝固DZ125镍基高温合金的组织研究

对铸造定向DZ125镍基高温合金进行单道多层的激光成形修复实验。通过光镜、扫描电镜及透射电镜对修复区进行微观组织观察,使用电子探针测定不同相及修复区枝晶干的成分。结果表明:通过激光成形修复的方法可以获得自原基材外延生长的细小定向γ柱状晶修复组织,仅在修复区顶部存在部分取向杂乱的等轴晶组织;相比铸造定向基材,沉积态修复区呈现快速外延定向凝固特征,导致修复区的成分偏析减轻,枝晶间MC型碳化物相比基材显著细化,呈块状或正八面体状,枝晶间同时分布有γ+γ′共晶组织;另外,在γ枝晶干分布着近100 nm的球形γ′相,且部分γ′相颗粒有相互连接的现象。总体上,修复区一次枝晶间距、碳化物及γ′相尺度比修复基材显著细化。     

高温合金涡轮叶片定向凝固过程数值模拟研究进展

高温合金涡轮叶片被广泛应用于航空发动机与燃气轮机,数值模拟技术能优化和改进涡轮叶片定向凝固工艺,提高成品率。本文总结了国内外高温合金涡轮叶片定向凝固过程宏、微观数值模拟模型,介绍了其发展趋势。对高速凝固(HRS)和液态金属冷却(LMC) 2种工艺下高温合金叶片宏观温度场、介观晶粒组织与微观枝晶组织做了模拟仿真,对比分析了2种定向凝固工艺下的传热过程和微观组织演化规律。介绍了变抽拉速率工艺在高温合金定向凝固中的应用,以实际叶片作为算例,对比了常抽拉速率与优化的变抽拉速率对涡轮叶片温度场、晶粒组织的影响。结果表明,优化的变抽拉速率工艺能够改变上凸或者下凹的糊状区形状,得到平直的糊状区与平行的晶粒组织,有利于提升叶片高温力学性能。     

再结晶厚度对定向凝固DZ125合金蠕变性能的影响

柱状晶DZ125合金在铸态条件下进行不同强度的表面吹砂,然后进行标准热处理获得不同厚度的再结晶层,并测定出合金的蠕变寿命,对比分析再结晶及其厚度对合金蠕变性能的影响,采用扫描电镜对铸态、热处理态和蠕变断裂后合金的微观组织进行观察,试验结果表明:柱状晶DZ125合金在不同吹砂强度条件下,热处理后合金表面发生再结晶厚度不同,随吹砂强度的增大再结晶层的厚度增大。铸态DZ125柱状晶合金中的碳化物呈片状、条状或颗粒状,经标准热处理后合金中的碳化物部分发生溶解,片状碳化物尺寸减小,碳化物表面出现孔洞,条状碳化物转变为颗粒状,原有颗粒状碳化物尺寸降低。再结晶后,晶界析出少量颗粒状碳化物。具有不同再结晶厚度的2和4 mm片状试样,在980℃,235 MPa条件下的蠕变寿命相当,与未发生再结晶的柱状晶合金相比寿命降低30%。蠕变期间再结晶晶界碳化物发生了积聚和长大,这有利于提高再结晶晶界强度。蠕变期间断裂裂纹主要沿与应力轴垂直的再结晶晶界萌生,在柱状晶合金内部也存在裂纹萌生点。再结晶晶粒内发生了γ′相筏形化,说明柱状晶再结晶晶界虽然弱化了合金的蠕变强度,但其本身也具有一定的强度。     

高温度梯度定向凝固镍基高温合金DZ125的组织演化

采用液态金属冷却(LMC)定向凝固结合液淬法,在温度梯度(G)为250 K/cm,凝固速率(V)为2-400 μm/s的条件下系统研究了镍基高温合金DZ125的固/液界面形态、胞/枝晶间距及MC碳化物形态.随着V的增大,界面形态经历了浅胞状→深胞状→粗枝晶→细枝晶的转变.一次胞晶间距随着V的增大而增大,当V=5 μm/...     

DZ125高温合金熔体超温处理定向凝固组织的演化规律

在保持凝固界面温度梯度恒定的条件下,研究了DZ125高温合金熔体超温处理定向凝固组织的演化规律.实验结果表明,熔体超温处理对DZ125合金的定向凝固组织有着显著的影响.一次枝晶间距和二次枝晶间距均随着熔体超温处理温度的升高,呈现出先减小后增大的变化规律,并在超温处理温度为1 650℃处出现最小值.合适的熔体超温处理可以起到与提高凝固速率相同的作用,有效细化合金凝固组织,从而有利于降低合金元素偏析程度,减少甚至消除凝固缺陷,缩短热处理均匀化时间,提高合金的力学性能.     

试样截面尺寸变化对高温合金DZ125定向凝固组织的影响

采用截面变化的DZ125高温合金试样进行液态金属冷却定向凝固,抽拉速率为25μm／s、50μm／s、100μm／s和500μm／s,获得了截面变化前后的稳定组织以及截面变化区的组织演变。结果表明,当凝固顺序由大截面向小截面时。一次枝晶间距变窄,抽拉速为500μm／s,枝晶生长方向发生偏转。随着试样比表面积的增大,一次枝晶间距减小。由于截面的变化,组织的演化是一个渐变的过程,不同的冷却速率和凝固顺序都影响着组织的演化过程。