K417G合金焊接修复用高温合金粉末设计与工艺

航空发动机涡轮导向叶片在服役过程中形成的裂纹可以采用钎焊粉末冶金修复技术进行修复,针对低压涡轮导向叶片材料和结构特点,设计了K417G合金修复所需的不同成分的粉末填充材料,测试了不同粉末粒度配比的振实密度值,采用金相法、压汞法评估了不同烧结条件下粉末烧结体的孔隙率、平均孔径、中值孔径、最可几孔径等烧结体性能值,优选了粉末填充材料,在此基础上开展了钎焊粉末冶金修复工艺研究,分析测试了钎焊粉末冶金修复接头冶金组织. 结果表明,接头成形良好,焊料润湿铺展充分,接头致密饱满,无明显焊接缺陷.     

B含量对K417G合金凝固过程中组织演变和力学性能的影响

研究了B含量对K417G合金凝固过程中相析出以及铸态组织和力学性能的影响。研究不仅证实了B显著促进元素偏析以及凝固后期(γ+γ')共晶析出,还发现B对K417G合金凝固早期基体γ相的析出和长大具有明显影响。B降低基体γ相的析出温度,抑制γ相的形核,并阻碍γ相生长。当B含量低于0.036%时,由于B降低γ相形核率,导致K417G合金的晶粒组织随B含量增加明显粗化。当B含量增加至0.060%时,尽管B仍然降低γ相形核率,但由于其阻碍γ相枝晶的早期生长,使熔体内部过冷度升高,局部发生晶粒细化。B对K417G合金力学性能的影响决定于硼化物的晶界析出形态,当B含量低于0.036%时,硼化物以颗粒状在晶界析出并对晶界产生强化作用,合金的900℃拉伸性能和900℃、315 MPa持久性能随B含量的增加而显著提高。当B含量达到0.060%时,共晶态硼化物在(γ+γ')前沿析出,导致共晶态硼化物与(γ+γ')的界面显著弱化,拉伸和持久性能显著降低。     

K417G高温合金涡轮叶片真空热处理工艺优化

合金元素在一定的温度及真空度下会产生蒸发,这对零件的真空热处理质量、对真空加热室的污染均有不利影响。通过对材料合金元素蒸汽压的分析,对原有真空热处理工艺方案进行分析,采用分压的方式,可防止合金元素的蒸发,又可获得光亮的表面。     

热处理制度对K417G铸造高温合金组织和性能的影响

对K417G合金经过“1 080℃/4 h,AC+870℃/12 h,AC”固溶+时效热处理后的显微组织、性能进行了研究。结果表明,与铸态相比,经“1 080℃/4 h,AC”固溶处理后,铸态部分γ′相已经溶解,并且初生γ′相附近聚集着尺寸更小的二次γ′相颗粒;室温抗拉强度和塑性提高,而900℃抗拉强度变化不大,塑性指标却明显降低。再经“870℃/12 h,AC”时效处理后,γ′相呈现为规则的立方形,二次γ′相有所长大,尺寸约为20～100 nm;900℃塑性指标有一定提升,其他力学性能与铸态相比变化不明显。     

K417G高温合金大间隙钎焊的组织演变与性能的研究

采用低熔点的含硼镍基合金粉末与高熔点镍基合金粉末的混合粉末作为钎料,在真空热压炉中对K417G镍基高温合金进行大间隙钎焊连接。研究了钎料成分对接头显微组织演变规律的影响,分析了接头的强化机制。结果表明,提高钎料中高熔点合金粉的含量,可有效减少焊缝中硼化物的形成量,提高焊缝组织均匀性。当钎料中高熔点合金粉含量为95 wt.%时,硼元素扩散均匀,获得弥散分布的颗粒状的M3B2 型硼化物,接头的室温和600 °C抗拉强度为971 MPa和934 MPa,达到了母材的强度。此外,原位析出于接头界面处的细小弥散碳硼化物M23(C,B)6与基体的共格关系是实现高质量大间隙钎焊连接的重要因素。     

K417G服役涡轮导向叶片的组织性能及热疲劳损伤机理分析

对服役后低压涡轮导向叶片的组织性能及热疲劳行为进行了系统研究,结果表明,K417G合金在服役后组织发生明显的弱化,γ'相的网状组织长大、粗化严重高温拉伸与室温拉伸试验结果的对比表明,K417G合金在高温下力学性能出现大幅降低,这主要是由于合金内析出相之间的相界面和晶界在高温下成为合金的薄弱环节,易成为裂纹的起源位置,从而降低了强度,断裂方式也从室温下的韧性断裂逐渐转变为沿晶特征的脆性断裂;叶片在热疲劳应力作用下表面的涂层发生开裂、脱落,基体合金被氧化,氧化物在应力作用下开裂、脱落而形成疲劳裂纹源;热疲劳试验数据的拟合结果表明随着温度循环周次的增加,裂纹扩展速率呈减小的趋势,这是由于随循环周次的增加,二次裂纹出现并生长,释放了热应力,从而降低了裂纹扩展速率。     

K403高温合金缺损叶片的粉末冶金法修复

采用粉末冶金修复工艺(China Powder Metallurgy,CPM),利用2种分别混有微量硼合金和纳米镍粉的镍基高温合金粉末对K403缺损叶片进行修复再制造。采用X射线衍射、扫描电子显微镜(SEM)、EDX能谱和电子探针(EPMA)对叶片修复区的相组成、宏观形貌及微观组织进行分析;同时对修复区致密化和界面连接机理进行初步探讨。结果表明,选用合适的修复粉末,用CPM方法能够将缺损的叶片再制造成原有形状与尺寸;混合硼合金的修复粉末对K403合金的修复效果较好;硼元素的扩散对修复区致密化和界面连接起重要作用,期间发生的反应为Ni m B n+(Cr,W)→γ+(Cr2,W)B2;经计算,在CPM工艺条件下,界面区的硼浓度可以降低至共晶浓度以下。     

V对K417G合金高温热腐蚀行为的影响

采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和高温在线电化学测量方法,研究了V对K417G高温合金900℃热腐蚀行为的影响,结果表明:随着V含量的增加,合金的热腐蚀速率呈逐渐增加的趋势。当V含量低于0.6%(质量分数)时,腐蚀速率增加较小,0.6%V合金的腐蚀速率是0.016%V合金的4倍,当V含量增加到1.19%时,合金的热腐蚀速率增加100倍还多,腐蚀产物主要为氧化物和硫化物。氧化物主要为Al、Cr、Co、Ti和Ni的氧化物,硫化物主要为NiS、MoS和NiCrS,随着V含量增加,S向基体扩散速度加快,合金表层中的Al和Cr的氧化物层越来越薄,使合金腐蚀层致密性下降,低V时,硫化物主要在外表面形成,高V时,硫化物层紧邻基体,高温极化曲线结果显示,与1.19%V合金相比,低V合金(0.016%)的自腐蚀电位向正向移动了0.4 V,低V合金具有良好的耐热腐蚀性能,高V合金耐热腐蚀性能下降。     

V对DZ417G合金组织性能的影响

为掌握合金化元素v对DZ417G合金力学性能及微观组织的影响,熔炼出具有不同V元素含量的合金,并进行了力学性能测试和微观组织形貌观察.结果表明,随着V含量增加,DZ417G合金的高温断裂强度和塑性均有所提高.测定结果表明,760℃、725 MPa条件下,随V元素含量的提高合金的持久寿命增大,由90 h提高至245 h.对DZ417G合金微观组织观察表明,随合金中V含量的提高,合金中共晶相数量增加,合金中的碳化物析出数量增加,分散程度增大,合金中的碳化物组织变得更加细小.经热处理后,合金中枝晶干处γ’相为细小立方体型γ’相.     

元素B对DZ417G合金组织性能的影响

为研究合金化元素B对DZ417G合金力学性能及微观组织的影响,制备了不同B含量的合金,并进行力学性能测试和微观组织形貌观察。结果表明:随着B含量增加,DZ417G合金900℃的抗拉强度和屈服强度均有所降低,塑性先降低后升高。980℃、216 MPa条件下,合金的持久寿命随B含量的提高而降低,760℃、725 MPa条件下,随B含量的提高合金的持久寿命变化不大。随合金中B含量的提高,合金中晶界区域析出碳硼化物数量增加,当合金中的B含量达到0.02%时,在共晶相周边可以观察到珠状硼化物共晶组织。经热处理后合金中γ′相由细小γ′相和粗大的γ′相组成。     

混晶组织对GH4720Li合金高温力学性能的影响

利用光学显微镜、场发射扫描电镜及力学性能测试等手段,研究了不同组织特征对GH4720Li合金高温拉伸和持久性能的影响。结果表明:组织B(局部混晶+一次γ′相)的650℃抗拉强度和屈服强度与组织A(均匀细晶+一次γ′相)相比有所降低;随着混晶程度的提高,组织C(完全混晶+一次γ′相)的抗拉强度迅速下降,但组织C的抗拉强度远高于粗晶组织D(粗晶+无一次γ′相)。不同持久试验条件下,合金的高温变形机制不同:730℃/530MPa条件下,组织A和组织D持久寿命相当,但从组织B和组织C可以看出持久寿命随混晶所占百分比的增加而提高,高温低应力下的变形机制主要为晶界粘滞滑动;680℃/830 MPa条件下主要变形机制是晶内位错滑移,组织A和组织B的持久性能较好,持久寿命随着粗晶所占百分比的增加而降低,同时晶界滑移同样产生一定作用,使得以粗晶为主的混晶组织持久寿命的降幅不大。     

激光冲击强化渗铝法提高K417合金疲劳性能

研究采用激光冲击强化渗铝方法提高K417合金震动疲劳性能的可行性。结果表明：该方法可以有效提高K417合金的振动疲劳强度。利用扫描电镜和透射电镜对试样进行了观察和分析,并对振动疲劳性能提高的机制进行了讨论。     

粉末冶金Ti-Mo合金的显微组织及力学性能

以元素粉末为原料,采用模压烧结技术制备了Ti-(8~20)Mo合金,并探讨了烧结工艺及Mo含量对合金组织和力学性能的影响规律。结果表明,在1400~1500℃范围内可制备出高致密且组织成分均匀的Ti-Mo合金材料。合金烧结致密化所需最低温度随Mo含量升高相应提高。当Mo含量(质量分数)为8%~16%,合金为典型魏氏体组织,Mo含量提高可使合金中β相晶粒尺寸减小,α片层含量降低并逐渐细化;而Ti-20Mo合金则由单一等轴β相晶粒组成。模压烧结Ti-Mo合金力学性能优异,其弹性模量范围为59~68 GPa;在1450℃烧结制备的Ti-14Mo合金相对具有最佳的综合性能,其硬度为35.7HRC,弹性模量为62.2 GPa,抗压强度为2227 MPa,压缩率为29.1%。     

采用BNi-5钎料钎焊K417G高温合金的界面组织和力学性能

K417G镍基高温合金具有优异的高温力学性能,可应用于航空发动机热端部件的制造中。采用BNi-5镍基钎料开展了K417G合金钎焊接头的研究,分析了不同保温时间对钎焊接头微观组织演变和接头高温力学性能的影响。在1 160℃保温15 min条件下,K417G合金接头界面处物相主要由γ+γ’相、富Ti碳化物相和(Ni,Cr)3Si相等物相组成。随着保温时间的进一步延长,界面反应和元素扩散更为充分;同时接头中的硅化物相分布呈分散趋势,物相尺寸得到细化。1 160℃×30 min条件下获得的接头950℃平均抗拉强度为412 MPa。     

利用喷丸再结晶方法提高K417合金的疲劳寿命

K417镍基高温合金是我国广泛应用于制造航空发动机涡轮叶片的材料。研究了采用喷丸再结晶方法提高K417合金疲劳寿命的可行性。实验结果表明，该方法可以有效提高K417合金在650℃大气条件下的疲劳寿命。利用扫描电镜对试样断口进行了观察和分析，并对疲劳寿命提高机制进行了讨论。     

一种性能优异的低成本定向凝固镍基高温合金DZ417G

一种新的定向凝固镍基高温合金DZ417G已被研制成功，它不含有稀缺昂贵的金属元素W，Nb,Ta,Hf等元素，具有密度小、成本低的特点。简要地介绍这一合金的研究结果，包括化学成分的确定，定向凝固工艺和热处理制度的选定，所测试的各种力学性能，涉及不同温度的时拉伸性能，冲击韧性、持久、蠕变性能及其机理，高、低周疲劳和冷热疲劳性能，疲劳裂纹扩展速率，长期时效后组织和力学性能的变化以及抗氧化性能和物理性能。结果表明，DZ417G合金是一种综合性能优异的定向凝固镍基高温合金，很多性能指标优于DZ4合金，与DZ22和DS CM247LC合金相当，可用作先进航空发动机低压涡轮叶片等零件。     

晶粒组织对GH4169G合金持久性能的影响

研究了GH4169G合金锻造饼坯表层不完全再结晶组织和中间层完全再结晶组织对持久性能的影响.研究结果表明,在标准热处理状态下,具有混晶组织的表层合金比具有等轴晶组织的中间层合金持久性能差,δ相的析出数量、分布情况及晶粒组织变形协调能力是影响持久性能的主要原因.     

改型K21合金高温拉伸强度研究

对经真空熔炼浇注的改型K21合金分别在室温、800℃、900℃和950℃下进行拉伸试验.结果表明：改型K21合金的抗拉强度（σb）从室温的612.5 MPa增大到800℃的805 MPa,呈逐渐增大的趋势,800℃的抗拉强度具有较高值.900℃的瞬时抗拉强度下降为615 MPa,与室温相当,950℃下降加速.伸长率从室温的7.0%降低为900℃的1.2%,呈逐渐降低的趋势,950℃时伸长率为2.2%,稍稍有所提高.因此,在低于900℃时,改型K21合金具有较好的强度,可作为900℃以下温度范围内的等温锻造用模具材料.     

激光沉积修复GH536/GH738合金的组织及力学性能

采用GH536合金粉末对GH738合金损伤试样进行激光沉积修复试验研究,通过正交试验法优化工艺参数,得到较小熔深、无缺陷的修复试样;测试分析了修复试样的显微组织、室温拉伸性能及显微硬度。结果表明:合金修复区为外延生长的柱状晶组织,修复区边缘柱状晶取向较一致,修复区中心柱状晶出现一定角度转向;合金修复区枝晶干上主要为富含Mo、Cr的M6C碳化物,晶界处出现少量细小的M23C6碳化物。相比于基体,合金热影响区中γ′相数量减少并呈粗化趋势,MC碳化物发生分解。激光沉积修复试样室温抗拉强度为GH738锻件的66.5%,高于GH536锻件强度;断后伸长率分别低于GH738锻件及GH536锻件的;修复区域的显微硬度分别低于GH738基体的显微硬度,高于GH536锻件的显微硬度。     

改型K21合金高温拉伸强度研究

对经真空熔炼浇注的改型K21合金分别在室温、800℃、900℃和950℃下进行拉伸试验。结果表明:改型K21合金的抗拉强度(σb)从室温的612.5MPa增大到800℃的805MPa,呈逐渐增大的趋势,800℃的抗拉强度具有较高值。900℃的瞬时抗拉强度下降为615MPa,与室温相当,950℃下降加速。伸长率从室温的7.0%降低为900℃的1.2%,呈逐渐降低的趋势,950℃时伸长率为2.2%,稍稍有所提高。因此,在低于900℃时,改型K21合金具有较好的强度,可作为900℃以下温度范围内的等温锻造用模具材料。