高Al、Ti含量镍基高温合金激光、微弧火花表面熔焊处理研究进展及解决熔焊裂纹的途径

Al、Ti是镍基高温合金主要沉淀强化元素,随着Al、Ti含量的增加,镍基高温合金γ'-Ni3(Al,Ti)相体积百分数增加,高温强度增加,但是热裂纹敏感性也随之增加,如何利用熔焊工艺实现高Al、Ti镍基高温合金材料的表面无损伤熔焊处理一直是高Al、Ti镍基高温合金叶片与热端部件制造与再制造面临的难题.文中从高温合金表面熔焊修复与强化问题出发,着重介绍了高温合金焊接冶金问题及焊接性改善途径、激光与微弧火花两种低热输入熔焊工艺在高温合金表面修复与强化领域的研究与应用进展.分析表明:高Al、Ti镍基高温合金表面熔焊处理的主要难题是其高的热裂纹敏感性,主要表现在焊接或焊后热处理过程中容易产生凝固裂纹、液化裂纹、应变时效裂纹,采用惰性气体保护、改变基体组织状态、使用低强度的合金焊料、降低热输入等措施可有效改善其焊接性;激光、微弧火花等低热输入焊接工艺在解决高Al、Ti镍基高温合金表面熔焊问题方面具有极大的潜力.     

镍基高温合金K403电火花沉积工艺

高Al、Ti型镍基高温合金具有良好的热稳定性、热强度和高温组织稳定性,广泛地应用于航空发动机叶片、燃气轮机热端部件等高端精密领域。由于这些热端部件造价昂贵且极易损坏,对该种零件进行维修与再制造成为降低该类部件运行成本的重要方法。由于Al、Ti含量会增大高温合金的焊接裂纹发生率,传统的熔焊技术很难应用到该类部件的维修当中,利用微弧电火花沉积技术对高Al、Ti型镍基高温合金K403进行了沉积试验,获得无裂纹堆焊层,为高Al、Ti高温合金的再制造工程增加了新的工艺方法。     

Ti含量对镍基高温合金抗热腐蚀性能的影响

采用涂盐方法研究了不同Ti含量的镍基高温合金的热腐蚀过程。研究发现,在900℃涂盐条件下,Ni基高温合金中加入质量分数为0.55%的Ti就可以显著提高合金自身的热腐蚀抗力,并且随着Ti含量增加,合金的热腐蚀抗力进一步增强。研究认为,合金中加入Ti后,能促使合金表层形成致密、连续的Cr2O3层,并且随着Ti含量增加,Cr2O3层厚度增加,Al2O3层逐渐向外腐蚀层迁移,从而提高了合金的热腐蚀抗力。     

新型Ni-Co基高温合金中平衡析出相的热力学研究

利用热力学计算软件JMatPro和相应的镍基高温合金数据库,研究了U720Li合金以及在此基础上研发的新型Ni-Co基高温合金的化学成分对平衡相的析出行为、加工性能和γ/γ′晶格错配度的影响.结果表明:Ti/Al值(原子比)的增加提高了合金中γ/γ′相的晶格错配度,γ′析出相的含量随Ti+Al含量(原子分数)的增加而增加.因此,增加Ti/Al值和Ti+Al含量能提高合金的高温强度.Co含量的升高可以拓宽合金的加工窗口,改善合金的加工能力,并且还可以增加合金γ/γ′相的晶格错配度,提高合金错配强化的效果.同时,Ti/Al值的增加促进合金中η相析出,而Co含量的增加具有抑制η相的效果.因此,在Co含量较高的Ni-Co基高温合金中,适当提高Ti含量,增加Ti/Al值对提高合金高温强度有利.     

含Ta低Cr高W铸造镍基高温合金中α相的形成与转变

研究了不同含Ta量低Cr高W铸造镍基高温合金的铸态和1 100℃保温500 h、1 280℃保温20 min～3h热处理后的显微组织以及1 100℃,118 MPa条件下的持久性能.结果表明:低Cr高W铸造镍基高温合金中添加元素Ta会使共晶γ'相的数量显著增加.当(Ti Nb)含量恒定在2.1%(摩尔分数),(Ta Al)含量达14.4%(摩尔分数)时,合金凝固后期将形成α(W,Mo) γ'共晶;少量α相不会明显降低合金的持久性能,但α相在高于1 260℃下固溶处理或在1 100℃长时热暴露时是不稳定的,它会溶解或转变成块状M6C,从而损伤合金的高温持久性能;Ta是一种有利于提高高温合金高温强度的元素,但Ta含量应与合金中的Al含量相适应,须按等摩尔分数原则相互替换;具有Ni-10Co-1.5Cr-16W-2Mo-1Nb-5Al-4Ta成分的合金性能最佳.     

Al、Ti、Ta对镍基单晶高温合金组织和性能的影响

利用ISP 05 DS/SC定向单晶炉拉制单晶试棒,研究了Al、Ti、Ta含量对镍基高温合金组织和性能的影响.研究结果表明,铸态组织中Al、Ti、Ta主要分布于γ'相中.Al、Ti、Ta含量的提高可以提高Co、Cr、Mo在γ基体中的溶解度,同时,随着Al、Ti、Ta含量的提高,合金的固溶温度提高,错配度增大,γ'增强相的形貌也由椭球形转为方形.高温持久试验结果表明,Al、Ti、Ta含量的增加可以提高合金的持久寿命.     

Ru含量对镍基高温合金抗热腐蚀性能的影响

采用沉浸法研究了不同Ru含量镍基高温合金的热腐蚀过程。采用扫描电镜观察了合金腐蚀层表面形貌,并利用电子探针观察腐蚀层横截面元素分布。结果表明,随着Ru含量增加,Al的氧化物层逐渐变得连续、致密。经相同时间腐蚀后,随着Ru含量的增加,表层腐蚀产物脱落程度逐渐变轻,合金的腐蚀增重速率逐渐降低。在本试验条件下,合金中加入3%的Ru就可以显著提高其热腐蚀抗力。     

GH99镍基合金焊接热裂纹的动态过程研究

本文利用高温金相显微镜直接观察GH99镍基高温合金钨极氩弧焊焊缝和热影响区在1200℃和一定应力、应变条件下的组织变化和热裂纹的起始、扩展、断裂的动态过程,研究合金的化学成分、组织及所受应力、应变对焊接热裂纹(结晶裂纹和液化裂纹)的影响。研究结果表明,影响热裂纹的主要因素是合金的化学成分,尤其是Al、Ti含量及Al/Ti(含量)比值,应力和应变也有一定的影响。化学成分决定了合金的零塑性温度,零塑性温度较高的合金的热裂纹倾向小,低者热裂纹倾向大。     

铸造高温合金中氮的影响机理与控制

总结中国科学院院金属研究所高温合金与金属间化合物课题组近年来开展的几种铸造高温合金中氮(N)的研究结果;讨论了铸造高温合金中N的控制方法.结果表明:无论镍基还是钴基铸造高温合金,N含量随Cr含量或返回次数和比例的增加而增大,过高的N含量降低合金的力学性能,并导致合金质量明显下降,但N的影响机理不同;对镍基铸造高温合金,N主要以极难分解的TiN颗粒团簇存在于合金熔体中,在凝固过程中作为核心促进TiC碳化物的析出与快速长大,块状碳化物阻塞枝晶间的通道,降低合金液的流动性和补缩性,导致合金组织中的显微疏松明显增加以及合金力学性能的降低;对钴基铸造高温合金,高N含量提高合金的初始凝固温度,使得合金枝晶组织粗大,枝晶间板条状M7C3共晶碳化物数量增多、尺寸增大,抑制周围基体中M<,23>C<,6>相的沉淀,导致共晶碳化物/基体界面更容易形成裂纹而降低合金力学性能.     

焊丝成分对镍基高温合金TIG焊焊接性的影响

解决K4951合金的熔焊修复是实现新一代航空发动机机匣研制的关键.针对K4951合金中的难熔元素含量高、可焊性较差的问题，本文根据该合金的成分特点，通过调整母材中的沉淀强化元素和固溶强化元素，设计出7种成分的焊丝，并利用扫描电镜、透射电镜、电子探针和热力学软件等研究手段分析了合金元素对焊接接头的裂纹敏感性和持久性能的影响.结果表明，在母材成分的基础上提高焊丝中B元素含量至0.04%，接头的裂纹敏感性显著增加，焊缝金属加工即断裂；提高Nb元素含量可提升晶界液膜的愈合能力，有效的降低焊缝样品的焊接敏感性，接头的持久寿命由15 h提升至41 h；降低Cr,Mo元素的含量可以在一定程度上提高的合金的裂纹敏感性，使接头的持久寿命提升；提高Al元素的含量，同时调控Nb,Cr,Mo等元素可有效抑制裂纹形成，并提升了焊缝金属的高温服役性能.研究结果可为后续沉淀强化镍基高温合金的焊接性研究提供一定的参考价值.     

激光熔覆镍基高温耐磨合金的组织及性能

通过增加IN718合金中(Ti+Al)含量制备一种镍基高温耐磨合金,以满足超临界机组镍基合金阀门密封面再制造的需求。采用万能试验机、摩擦磨损试验机、XRD、SEM等仪器和JMatpro软件研究该合金激光熔覆试样的组织与性能。研究结果如下：当IN718合金的(Ti+Al)含量增加至7.6%时熔覆层会出现开裂;当IN718合金的(Ti+Al)含量增加至6.6%时,其激光熔覆试样初始平均硬度值为40 HRC,抗拉强度为998 MPa,延伸率为5.2%,室温摩擦因素为0.75左右,磨损量为0.327 5 mm³,主相为γ相和γ′相,700℃×10 h时效处理后平均硬度值为54 HRC,700℃摩擦因素为0.35左右,磨损量为0.024 mm³,主相γ′占53%。研究结果表明,IN718合金中(Ti+Al)含量增加至6.6%时具有良好的激光熔覆工艺性能和高温摩擦磨损性能,可应用于超临界/超超临界机组镍基合金阀门密封面的维修与再制造。     

激光增材制造沉淀强化镍基高温合金热裂纹研究进展

针对沉淀强化镍基高温合金中的裂纹现象,对比了2类热裂纹（即凝固裂纹和液化裂纹）的典型特征、形成位置和条件。从枝晶生长、元素偏析、强化相析出、固态相变和残余应力应变等角度,系统综述了热裂纹的形成机理和热裂纹敏感性影响因素。在此基础上,从合金成分调控、工艺参数优化、基板预热以及热等静压处理等方面,概述了增材制造高温合金热裂纹调控和抑制的主要措施。最后,针对激光增材制造沉淀强化镍基高温合金热裂纹研究中存在的问题,提出了进一步研究和发展的建议,为实现无裂纹镍基高温合金的增材制造提供了参考。     

TiAl合金与镍基高温合金钎焊连接研究现状

Ni基高温合金以其优异的性能，如较高的强度、良好的抗氧化及抗腐蚀能力等，在飞行器领域得到了广泛应用。TiAl系高温合金因其熔点高、比强度高、密度低、抗蠕变性能好等优点，被认为是制造航天器和飞机发动机最有前途的工程材料之一。采用TiAl合金与Ni基高温合金钎焊构件取代部分Ni基高温合金，能更好地满足飞行器高速化、轻量化的发展要求。综述了TiAl合金与镍基高温合金的钎焊技术研究现状，通过对现有TiAl合金与镍基高温合金焊接性研究的分析，介绍了包括Ti基钎料、Ni基钎料等钎焊材料的选取，阐述不同钎焊材料与钎焊工艺接头界面物相形成机理，指出TiAl合金与镍基高温合金钎焊技术研究与发展过程中存在的不足，并展望了TiAl合金与镍基高温合金钎焊技术未来发展方向，为TiAl合金与镍基高温合金钎焊连接的相关研究和工程应用提供理论依据和技术支撑。     

高温合金熔化焊焊接性的研究进展

综述镍基高温合金和钴基高温合金熔化焊的研究现状,并阐述了焊接裂纹形成机理以及焊接工艺和合金成分对其焊接性的影响.镍基高温合金可以通过调整合金成分、析出相和晶界形貌、焊接工艺等来提高其焊接性.与沉淀强化型镍基高温合金相比,固溶强化钴基合金焊接性能良好,展现出良好的界面熔合性和较高的抗裂纹敏感性.新型沉淀强化钴基合金中γ/...     

镍基高温合金γ′相析出的经典动态模型及应用

基于经典形核理论,考虑温度和保温时间对沉淀相析出的影响,建立了镍基高温合金中γ′沉淀相析出模型.同时结合GH738合金在等温时效实验条件下获得的γ′相析出特征值数据,验证模拟计算结果的相对正确性.结果表明,沉淀相析出过程经典动态模型可较好预测多元复杂镍基合金体系γ′相以均匀形核为主的析出过程.进一步利用该模型对GH80A,GH738,U720Li和DD407共计4种典型高温合金计算分析了Al和Ti含量及其比值变化对γ′相析出行为的影响.结果表明,对于γ′相平衡态含量,Al的作用程度比Ti大;而在Al+Ti总量不变的前提下,Ti含量增加将对提高γ′相的析出驱动力,从而减少完全析出时间有较大的贡献;Ti含量的增加也将使得沉淀相在析出初期的数量增加,而尺寸减小.     

Y合金化对电热丝用镍基高温合金显微组织与性能的影响

采用Y合金化的方法制备了电热丝用镍基高温合金,研究了Y含量对合金显微组织、高温力学性能和高温氧化性能的影响。结果表明,未添加Y的镍基高温合金的平均晶粒尺寸约为113μm,且在合金基体组织中出现较多孪晶,在晶界处存在不连续分布的链状析出物;当向镍基高温合金中添加Y后,晶粒尺寸有所减小;随着镍基高温合金中Y含量的增加,抗拉强度、屈服强度和显微硬度呈现先上升而后降低的趋势,且Y合金化的镍基高温合金的强度和显微硬度都要高于未添加Y的合金,而断后伸长率和断面收缩率相比未添加Y的镍基合金变化幅度不大;添加Y的镍基高温合金的氧化质量增加和氧化膜脱落要相对未添加Y的镍基高温合金较轻。     

[例40]微弧火花沉积技术在涡轮叶片表面强化与修复中的应用

<正>涡轮叶片是航空发动机/燃气轮机的核心部件,在服役过程中容易产生磨损、腐蚀、开裂等早期损伤,由于叶片价格昂贵,换件修理成本很高。涡轮叶片通常由高Al、Ti含量的镍基高温合金制成,此类合金的特点是,高温强度髙,但可焊性差,通常认为是不可焊材料。微弧火花沉积是一种低热输入的显微焊接工艺,单层沉积厚度不过几十微米,沉积过程对基材的热影响很小,基本不会引起工件变形和组织改变。大量研究表明:微弧火花沉积可以实现很多髙强度镍基高温     

扩散处理对镍基高温合金大间隙钎焊接头组织和性能的影响

采用含有Nb、Al、Ti的镍基钎料钎焊大间隙K465镍基高温合金,研究扩散处理对接头组织和性能的影响。结果表明,钎焊状态下K465镍基高温合金大间隙接头组织由γ+γ′相,块状γ′相及硼化物、硅化物及硼碳、硅碳复合化合物构成,液相扩散处理有利于元素扩散,明显改善接头组织性能,固相扩散接头组织性能改善不明显。     

TiAl合金与镍基高温合金的扩散连接

采用钛为中间层,对TiAl合金与镍基高温合金（GH99）进了扩散连接.研究了扩散连接接头的界面结构和连接温度对界面结构及连接性能的影响,并对连接界面反应层的形成机制进行探讨.结果表明,GH99/Ti/TiAl的界面结构为：GH99/（Ni,Cr）ss/富Ti-（Ni,Cr）ss/TiNi/Ti2Ni/α-Ti＋Ti2Ni/Ti（Al）ss/TiAl＋Ti3Al/TiAl;随着连接温度的升高,各反应层厚度增加,接头的抗剪强度先增加后减小;在连接温度1 173 K,连接时间30 min,连接压力20 MPa时,抗剪强度最高为260.7 MPa.     

高温合金Al-Si涂层抗高温氧化性能的研究

采用热扩散的方法 ,在K4 38高温合金表面制备了Al Si涂层。经 10 0 0℃× 5 0 0h高温氧化性能试验结果表明 ,K4 38镍基高温合金表面的涂层 ,在高温氧化过程中已转变成致密完整的α Al2 O3氧化层和富铝的 β NiAl和富镍的β NiAl化合物层 ,与基体金属的粘附性良好。Al Si涂层中Si元素的扩散和合理分布能有效的抑制β相的生长 ,延长涂层的退化速度 ,使涂层获得更佳的抗高温氧化性