镍基单晶高温合金螺旋选晶过程的数值模拟

采用ProCAST & CAFE模型,模拟了选晶法制备镍基单晶高温合金DD3过程中的晶粒组织演化。结果表明,选晶器引晶段的主要作用是优化晶粒取向,随着距引晶段底部距离的增加,<001>晶向与热流方向偏离角较大的晶粒逐渐被淘汰,到达距引晶段底部26 mm处时,<001>取向的晶粒与热流方向之间的夹角平均值小于10°。螺旋选晶段的主要作用是获得单一晶粒,其对晶粒的取向没有优化作用。螺旋选晶过程中,靠近螺旋通道外侧的晶粒因受到螺旋通道较强的几何阻碍逐渐失去生长空间,而靠近螺旋通道内侧的晶粒通常被选为最终的单晶。螺旋选晶段对晶粒的选择或淘汰与该晶粒在螺旋通道内所处的位置（螺旋通道的内侧或外侧）有密切关系,而与晶粒的晶体学取向没有必然联系     

镍基高温合金单晶叶片凝固组织模拟

采用CAF模型对DZ445高温合金单晶叶片定向凝固组织进行了数值模拟,在CAF模型中分别采用高斯分布连续形核模型和扩展KGT模型描述晶粒形核和枝晶尖端生长速率,研究了组模方式和抽拉速率对叶片凝固组织的影响。结果表明,倾斜组模可消除缘板杂晶,但可能会引入新的杂晶;抽拉速率越小越易形成单晶,抽拉速率越大越易形成杂晶;分段变速抽拉可消除缘板杂晶,但变速的位置距缘板应保持一定距离,此距离随叶片尺寸和抽拉速率而发生变化。     

镍基单晶高温合金TLP连接

采用自制的镍茯合金柔性布作为中间层合金对DD98单晶高温合金进行瞬态液相（TLP）连接,TLP连接在1473-1523K,0.5-24H真空条件下进行。利用光学显微镜、扫描电镜对接头的微观结构和化学成分进行观察和分析,利用电子背散衍射测定了连接层和基体之间的结晶学取向。结果表明接头区域由连接区,中间金属／基体金属界面扩散区、基体金属区组成,均匀化处理后的接头与基体上的γ‘沉淀相的尺寸趋于一致,连接层与基体之间的取向匹配良好。     

镍基单晶高温合金的研发进展

本文概述了近年来镍基单晶高温合金的研发进展。在合金研制方面,总结了单晶合金近几年的发展及其成分设计方法。针对单晶合金常见的变形和损伤、失效机制,分别介绍了单晶合金蠕变、疲劳、氧化及热腐蚀机理,以及单晶合金中常见缺陷对力学性能的影响。在单晶叶片制造工艺方面,总结了高速凝固、气冷、液态金属冷却、以及流态床冷却等几种常见定向凝固工艺的研发和应用现状,并介绍了单晶叶片中几种常见缺陷的形成机制和相关控制技术。此外,本文还讨论了单晶高温合金及单晶叶片在应用基础研究领域面临的困难和挑战。     

单晶镍基高温合金的蠕变断裂

本文研究了〈001〉取向的CMSX—2,SRR99和RR2000三种单晶镍基高温合金,从750-1000℃温度范围和从150—680MPa应力下的蠕变断裂特征;用扫描电镜对上述各种实验状态下的蠕变断口和纵向剖面进行了详细观察。结果表明:单晶的蠕变断裂具有明显的晶体学特征,蠕变裂纹总是从已有的铸造的显微疏松处萌生;对于含碳量较高的材料,碳化物及其与基体的界面也是裂纹萌生的有利位置;这些已萌生的裂纹在外加应力轴垂直的(001)面上各向异性地扩展,直到由于承载截面的逐渐减小而导致最终破坏。虽然在较高的实验温度下,断口被强烈地氧化,但是蠕变断裂特征没有改变,在对三种材料断口上(001)面的大小和面积分数的测量和计算表明,用面积分数来表征蠕变损伤程度是可行的。     

镍基单晶高温合金性能的研究

研究在两种凝固条件下,热处理对镍基单晶高温合金性能的影响。研究表明：γ相为0．5时,镍基单晶高温合金在950～1050℃有最佳的蠕变性能;显微疏松对850℃的高周疲劳以及750℃低周疲劳有明显的影响,采用高的温度梯度下的铸造处理可以使性能得到改善;该合金的耐腐蚀性较高。     

镍基单晶高温合金蠕变行为研究进展

从镍基单晶高温合金蠕变中γ'相定向粗化和筏化、蠕变各向异性、蠕变寿命预测及Re和Ru元素对蠕变性能的影响方面,综述了镍基单晶高温合金蠕变行为的研究进展,并对镍基单晶高温合金的发展方向进行了展望。     

镍基单晶高温合金微观结构研究

以Ni-15Cr-3.5B非晶箔带为中间层,采用瞬态液相连接工艺对镍基单晶高温合金进行连接。采用电子扫描显微镜、光学显微镜、透射电子显微镜对液相连接接头的组织形貌进行分析观察,利用EBSD(电子散射衍射仪)对连接区和基体的结晶取向进行观测。结果表明,接头主要由基体金属区、基体/中间层金属界面扩散区和连接区组成,扩散区的主要组织为M3B2细微颗粒;连接区则是MB+γ′和M23B6+γ′的共晶相。     

镍基单晶高温合金雀斑组织特征

采用OM、SEM、EBSD、TEM等方法研究了第3代单晶高温合金DD9雀斑铸态、热处理态组织及化学成分特征。结果表明：雀斑是由取向杂乱、细小的等轴晶粒组成,通常平行于晶体生长方向,呈链状分布在铸件的表面,其深度与宽度为400~800 μm;雀斑区域含有大量γ/γ''共晶,且出现一定量的MC、M₆C型碳化物和疏松。热处理后雀斑区域等轴晶粒边界出现大尺寸γ''相及颗粒状的M₆C相。雀斑区域含有较多Ta、Al等元素,而Re、W等元素含量较少,雀斑区域成分更加接近枝晶间成分。     

镍基高温合金叶片熔模铸造工艺的数值模拟

采用有限元分析软件ProCAST模拟了K438合金液在熔模铸造工艺中的充型凝固过程,分析了两种浇注系统(方案1,冒口和横浇道均采用10 mm的网格,而叶片整体采用4 mm的网格进行划分;方案2,冒口、横浇道、直浇道和压头均采用10 mm的网格,而叶片整体采用4 mm的网格进行划分)的固相率分布、凝固时间分布和凝固过程中叶片所产生缺陷的严重程度。模拟结果表明:两套浇铸系统的设计方案都比较合理,方案2的整体凝固速度快于方案1,方案2的缩松严重程度少于方案1。     

基于ProCast的K4169高温合金铸件离心铸造工艺数值模拟

利用ProCast数值模拟软件对K4169高温合金铸件立式离心铸造过程中金属熔体的充型过程和凝固过程进行了模拟研究,分析了离心转速对离心铸造充型过程的影响。结果表明,在离心铸造中,离心转速的选取要适中,转速越大,铸件的充填效果并不是越好;根据铸件缺陷的分析结果,对铸件采用顶注式浇注,铸件缩孔缩松缺陷都集中于顶部冒口和侧壁的暗包。     

单晶镍基高温合金的非平衡凝固

单晶高温合金具有优异的高温力学性能。本文着重介绍单晶高温合金的非平衡凝固方面的部分有趣的研究结果:包括固液界面的形态选择,从而提示如何合适控制定向凝固工艺参数;在大温度梯度下和在侧向约束条件下的定向凝固,首次发现存在一个无(γ+γ′)共晶区和TiC的上浮现象;在加快冷却速度时,还发现从未报导过的TiC的奇异形态以及其它一些亚稳相。     

镍基单晶合金的高温蠕变行为研究

航空发动机、燃汽轮机等高温部件长期工作在高温、高压等严酷环境下,蠕变和疲劳成为制约其使用寿命的重要因素之一,近年来日益受到广泛关注。从镍基单晶合金的高温蠕变现象出发,结合高温蠕变行为中的定向粗化、蠕变各向异性、位错演化、损伤力学模型等问题,介绍了国内外单晶高温合金蠕变行为的研究现状及发展趋势。     

镍基单晶高温合金微观组织的研究

采用选晶法在改进型Bridgman定向凝固炉上制备了镍基单晶高温合金DD403、DD407和Alloy A试样,研究了三种不同成分单晶合金铸态微观组织差异。结果表明,抽拉速率为6 mm/min时,DD403、DD407和Alloy A合金一次枝晶间距分别为217、221、225μm;三种合金共晶含量的体积分数分别为0.24%、4.61%和2.96%。     

镍基单晶高温合金缩松缺陷研究

采用选晶法在改进型Bridgman定向凝固炉上制备镍基单晶高温合金DD403和DD407,研究不同合金缩松含量以及凝固参数对缩松的影响。结果表明,抽拉速率V=100μm/s时,DD403和DD407缩松含量分别为:0.034vol%和0.014 vol%;随抽拉速率增加,DD403中缩松含量呈先减少后增加的趋势。     

基于计算机仿真镍基单晶高温合金再结晶过程分析

再结晶是影响高温合金高温蠕变性能的重要因素.以DD6镍基单晶高温合金为研究对象,建立了再结晶过程中形核生长、储能分布、晶粒长大的数学模型,利用计算机模拟技术分析了材料热处理过程中再结晶的整个过程和动力学曲线.该研究为镍基单晶高温合金生产过程中的蠕变性能优化提供了参考.     

镍基单晶高温合金微观孔洞缺陷研究进展

微观孔洞是镍基单晶高温合金的主要缺陷之一,会显著降低合金的力学性能,因此一直是高温合金领域的研究重点。总结了单晶高温合金中包含显微疏松和固溶微孔在内的微观孔洞缺陷形成机制,并分析了抽拉速度、温度梯度和合金成分等因素对显微疏松形成的影响规律。综述了热等静压对显微疏松的消除机制及其对力学性能的改善作用。     

镍基单晶高温合金再结晶过程仿真分析

以DD6镍基单晶高温合金为对象,建立了合金再结晶过程中晶粒形核长大、储能分布的数学模型,利用计算机模拟技术分析了材料热处理过程中再结晶的动力学曲线。模拟结果和文献实验结果具有很高的吻合度,为镍基单晶高温合金蠕变性能的优化提供了参考。     

镍基高温合金多叶片定向凝固过程数值模拟

建立了基于Monte Carlo法的射线追踪模型,并用来动态处理定向凝固抽拉过程中多叶片间以及叶片与加热炉间的辐射换热过程.模型中考虑了抽拉速度、加热炉几何尺寸等影响,研究了2种抽拉速度下的温度分布.得到的温度采样点冷却曲线与实际冷却曲线进行了对比并得到了较好的结果.多叶片条件下,冷却区叶片靠近炉壁的温度低于同一水平线上靠近炉腔中心部分的温度.抽拉速度为7.0 mm/min时等温线的斜率高于抽拉速度为4.5 mm/min时的斜率.炉腔的几何尺寸对凝固过程温度分布有重要影响.     

基于晶体塑性的镍基单晶合金横向高温力学性能研究

采用CPFEM方法对单晶镍基高温合金DD6在760℃下的横向拉伸力学性能进行了研究,分别在不同晶体取向和加载应变速率条件下对合金的力学性能和晶体变形特征进行了分析。结果表明,计算得到的本构参数可很好的表达其力学性能,在横向拉伸下,弹性模量随晶体偏转角度增加而增加。由于不同取向下滑移系激活情况不同,合金在[100]和[110]取向具有较高的屈服应力,而在[120]取向合金则表现出较低的屈服应力。同一晶体取向不同应变速率条件下,屈服应力与应变速率的自然对数呈线性关系。