高温合金热处理工艺研究进展

高温合金是一类在高温及一定应力条件下长期工作的高温金属材料,具有良好的综合性能,被广泛地应用于航空航天等领域。适当的热处理工艺通过改变合金的微观组织来提升其性能。总结了近几年高温合金热处理工艺的研究进展,详细论述了变形高温合金、铸造高温合金和粉末高温合金的热处理工艺及热处理对其组织和性能的影响,并阐述了高温合金热处理工艺的发展趋势。     

镍基高温合金粉末制备技术的发展现状

粉末高温合金是先进航空发动机关键热端部件的优选材料,先进的粉末制备技术是获得高品质高温合金粉末、保证合金件质量的关键技术。近年来,我国在粉末高温合金的研发和生产技术方面都取得了突破性进展,成功研发出新一代粉末高温合金,形成了成熟的粉末高温合金生产工艺。在粉末制备技术方面,通过对高纯净母合金熔炼技术、先进雾化制粉技术和电选分离技术的深入研究,进一步发展了粉末纯净化制备技术,满足了我国航空发动机领域对粉末高温合金关键零部件的需求。简要回顾了国内外粉末高温合金的发展历程,分析了粉末高温合金中的缺陷来源及其对合金性能的影响,概述了我国镍基高温合金粉末制备技术的发展情况,讨论了未来高温合金粉末及其关键制备技术的发展方向。     

新型钴基高温合金成分设计的研究进展

传统钴基高温合金的强化机制为固溶强化和碳化物强化,弱于有序γ′相沉淀强化的镍基高温合金的强化效果,日本学者发现了有序γ′相强化的Co-Al-W系新型钴基高温合金,其强化效果明显优于传统钴基高温合金。由于新型钴基高温合金具有较传统镍基高温合金更高的承温能力以及更加优异的高温抗蠕变性能和抗氧化性能,因此被认为是最具潜力的航空发动机热端材料之一,近年来得到迅速发展。基于国内外学者对新型钴基高温合金的研究成果,系统总结多种合金元素(如Ta, Ti, W和Nb等)对新型钴基高温合金组织和性能的影响。在组织方面,总结合金元素对合金相变温度、γ′相的体积分数及形态、γ′相的尺寸、γ/γ′两相晶格错配度和有害相的影响;在性能方面,总结合金元素对合金抗氧化性能、力学性能及抗蠕变性能的影响,以期为新型钴基高温合金的成分设计提供参考。最后对新型钴基高温合金成分的高效率设计进行展望。     

线性电磁搅拌对K417高温合金母合金锭质量的影响

为了提高高温合金母合金锭的质量,本文提出了在高温合金真空熔铸过程中,施加线性电磁搅拌的真空电磁铸造新技术。使用电子探针和光学显微镜,研究了在真空熔铸的凝固过程,施加工频线性电磁搅拌对K417高温合金母合金锭质量的影响。实验结果表明:在K417高温合金真空熔铸的凝固过程中施加140A的工频线性电磁搅拌,能够细化高温合金母合金锭的等轴晶组织、增加高温合金母合金锭的断面等轴晶比例、大幅减轻枝晶偏析的程度并能将高温合金母合金锭的中心缩松缩孔比率从54%降低到35%,从而使高温合金母合金锭的质量得到明显改善。     

粉末高温合金研究进展

粉末高温合金是制造高性能航空发动机涡轮盘等转动部件的关键材料.针对国外粉末高温合金的研究历史和现状,结合粉末高温合金的制备工艺流程,重点介绍了美国和俄罗斯粉末高温合金的发展现状,对比分析了不同粉末制备工艺、粉末固结工艺、盘件成形工艺的特点,总结了粉末高温合金中存在缺陷的原因及控制方法.针对我国粉末高温合金的研究历史和现状,总结了国内粉末高温领域所取得的进展.对国内外粉末高温合金在航空发动机上的应用进行了总结.对超纯净度细粉制备、直接热等静压近终成形、双性能粉末涡轮盘制备工艺等高性能粉末高温合金的关键技术及发展方向进行了展望.针对国内对粉末高温合金的需求现状,指出了国内粉末高温合金研制和生产过程中存在的问题并给出了相应的解决思路.     

镍基高温合金耐腐蚀性能的研究进展

镍基高温合金的耐腐蚀性能研究在现代科学技术和工程的发展中占有相当重要的地位。主要综述了近年来镍基高温合金耐腐蚀性能的研究情况,详细介绍了几种提高镍基高温合金耐腐蚀性能的方法。对比分析了几种不同的研究和表征方法,并对已有的研究成果进行了深入分析。讨论了镍基高温合金的腐蚀机理研究,提出在接下来的研究中应尽量模拟出镍基高温合金的工作环境,使得不同合金的腐蚀机理可相互比较。最后,结合镍基高温合金的使用要求,对未来镍基高温合金的耐腐蚀性的研究方向进行了探讨和展望。     

镍基高温合金材料的研究进展

半个世纪以来,我国发展和形成了许多镍基高温合金体系,以满足日益增长的动力、运输、航空以及航天等工业的需要,特别是镍基高温合金的发展为我国航空发动机性能的大幅度提高做出了重大贡献。简单介绍了镍基高温合金的发展历程,综述了近年来镍基高温合金的研究进展,并探讨了镍基高温合金的应用和发展趋势。     

复合电沉积制备NiCoCrAl泡沫合金及其高温抗氧化性的研究

采用复合电沉积法制备了NiCoCrAl泡沫合金,借助原子吸收光谱法研究了镀液组分对泡沫合金组分的影响;对合金在不同温度下进行了热处理,通过差热分析试验研究了热处理温度对合金的耐热性能,高温抗氧化性能影响,同时研究了合金中Cr和Al含量对合金的高温抗氧化性能的影响.结果表明,在852.37℃和1 180.29℃下合金形成了有利于提高其高温抗氧化性的相态;随着合金中Cr和Al含量的增加,合金的高温抗氧化性能提高,且Al含量对高温抗氧化性能影响更显著.     

高温合金真空电磁铸造补缩数学模型的建立与应用

为了提高高温合金母合金锭的内在质量,本文提出了高温合金的真空电磁铸造技术,并建立了表示高温合金真空电磁铸造凝固过程中液态金属补缩能力的数学模型。利用该模型比较了K417高温合金真空电磁铸造和真空熔铸两种铸造方法凝固过程中液态金属补缩能力的强弱,并通过试验验证了数学模型计算结果的准确性。试验结果表明:在高温合金凝固过程中施加60 A5、0 Hz的电磁搅拌,可以大幅提高液态金属的补缩能力,使高温合金母合金锭中心缩松和缩孔的比率从54%降低到33%,因而大幅提高了高温合金母合金锭的利用率。     

FCC/L1_2共格高熵高温合金的研究进展

高温合金是航空航天、能源等领域的高端装备核心热部件的关键材料。多年来,研究人员通过微合金化和先进制造工艺等方法,不断提升传统高温合金的性能,但由于受到合金主元的熔点限制,当前先进高温合金的性能已接近其极限。自2004年以来,高熵合金作为一种新型的合金体系表现出优异的综合性能,得到了广泛关注。高熵合金包含多种主元,在性能上的鸡尾酒效应可以融合各个主元的特点,突破了单一主元对合金性能的限制。随着对材料性能需求的不断提高,高熵合金也不仅限于单相固溶体,近年来也开发了大量第二相强化的高熵合金。其中,高熵高温合金结合了高熵合金多主元设计思想和传统高温合金共格析出的结构特点,表现出稳定的FCC/L12相结构和优异的高温性能,为新型高温结构材料的开发提供了希望。然而,高熵高温合金的相形成规律缺乏可靠的理论,强化和变形机理缺乏系统研究。此外,高温材料在环境中的表面稳定性是在工程应用中衡量材料性能的重要指标,而相关研究较少。近年来,研究人员基于已有的合金设计经验和计算机模拟方法,开发了一系列高熵高温合金,通过添加多种合金化元素不断提高材料的高温性能,研究了L12相的析出形貌和热稳定性、FCC/L12间的晶格错配度等对高温强度、蠕变性能的影响,并且对一些综合性能优异的高熵高温合金进行了高温氧化和热腐蚀测试,推进了高温高熵合金的工业化应用。本文归纳了高熵高温合金的研究进展,分别对相形成规律、力学性能、高温氧化和热腐蚀等进行了简单介绍,分析了变形机制、氧化和热腐蚀机理,指明了未来高熵高温合金的发展方向,以期为高熵高温合金的研发和工程应用提供一定的参考。     

Re对单晶高温合金持久性能的强化作用

通过对四种不同Re含量的单晶高温合金1100℃/140MPa持久性能研究,探讨了Re对单晶高温合金持久性能的强化作用.结果表明:合金的稳定性显著影响Re对高温持久性能的强化作用.适量Re提高单晶高温合金的持久寿命,过量Re降低合金的稳定性,明显降低Re对合金的强化作用.     

热等静压技术在镍基铸造高温合金领域的应用研究

镍基铸造高温合金是航空发动机与燃气轮机生产制造过程中应用的主要材料之一,在航空航天、能源工业、船舶舰艇等领域有着广泛的应用。现代航空工业的飞速发展离不开高温合金综合性能的快速提升,而热等静压技术在镍基铸造高温合金领域的应用对镍基铸造高温合金综合性能的改进方面发挥了举足轻重的作用。本文介绍了热等静压技术的工作原理与应用发展历史,总结了热等静压技术在镍基铸造高温合金领域的研究应用现状,重点阐述了热等静压技术对铸造高温合金的致密化作用机理与组织性能影响、热等静压对长期服役镍基铸造高温合金组织修复研究以及实现两种镍基高温合金扩散连接的应用优势与研究成果。同时指出热等静压技术研究中存在的一些问题及国内热等静压技术在镍基铸造高温合金领域的发展趋势。     

汽车增压器涡轮用铸造高温合金热裂研究进展

采用高温合金浇注汽车增压器涡轮时,叶片极易产生热裂,热裂的存在严重影响了铸造高温合金在增压涡轮上的使用。介绍了几种目前国内广泛使用的汽车增压器涡轮用铸造高温合金,对铸件热裂的形成机理进行了综述,重点探讨了铝、钛、碳、锆和铪等元素对铸造高温合金热裂倾向性的影响。综述了合金凝固方式和铸型性质、浇注条件、铸件结构、浇注系统等铸造工艺参数对热裂的影响,并提出了防止热裂产生的措施。     

Identification of thermomechanical parameters based on the virtual fields method combined with the sampling moiré method

Thermomechanical parameters are important indicators for evaluating the mechanical properties of superalloys and generally include the coefficients of stiffness and thermal expansion at high temperatures. At present, there are few methods for simultaneously characterising the thermomechanical parameters of superalloys, especially single-crystal superalloys. To satisfy the demand for simultaneously identifying the thermomechanical parameters of orthotropic superalloys, an optimised virtual fields method for decoupling the thermomechanical parameters was developed in this study by combining the self-developed heat-resistant grids and the sampling moiré method. First, several factors, including the oblique angle of the grids, image noise and thermomechanical coupling phenomena, were studied through numerical experiments to analyse their influences on the identification accuracy. Then, an optimised identification strategy was established. Finally, the thermomechanical parameters of Ni-based polycrystalline and single-crystal superalloys were successfully identified and comparatively studied. The identification results demonstrate that the proposed method is highly accurate and robust. This research will provide an effective way to accurately characterise the multiple parameters of superalloys at high temperatures.     

Effect of high-temperature protective coatings on fatigue lives of nickel-based superalloys

This study concerns MCrAlY coatings (M is Ni, Co or both) sprayed by a vacuum plasma spraying process for protection against high-temperature corrosion and oxidation of gas turbine components, such as turbine blades and duct segments. The effect of high-temperature protective coatings on fatigue lives of nickel-based superalloys were investigated at high temperature under push–pull loading and rotary bending and then compared with uncoated superalloys, such as equiaxed IN738LC, unidirectional solidified CM247LC and single-crystal CMSX-2. The high-cycle fatigue lives of MCrAlY-coated superalloys at high temperature under push–pull loading showed an inferior performance when compared with the uncoated superalloys. This was because the crack initiation site was different. The high-cycle fatigue cracks of nickel-based superalloys initiated at casting cavities which were exposed on the specimen surface, whereas the high-cycle fatigue cracks of MCrAlY-coated specimens initiated at interface defects, such as small pores and grid residue, between the MCrAlY coating and the substrate and grew into the MCrAlY coating, and then into the substrate. Similarly, the rotary bending fatigue properties of MCrAlY-coated superalloys at high temperature showed an inferior performance when compared with the uncoated superalloys. This is because of a high stress due to the higher Young's modulus of the MCrAlY coating (in comparison with the substrate) being induced at the MCrAlY coating surface. The crack initiation site was on the specimen surface in both cases of the nickel-based superalloys and the MCrAlY-coated superalloys, respectively. As a result, it was considered that, for rotary bending tests, the fatigue life reduction was due to the high stress that originated from the difference of elastic constants between the MCrAlY coating and the superalloy. Consequently, in fatigue life design it is necessary to take account of the stress levels in a coating layer.     

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。     

镍基单晶高温合金Larson-Miller曲线的预测

提出了一种预测镍基单晶高温合金Ｌａｒｓｏｎ－Ｍｉｌｌｅｒ曲线的新方法,应用于现有镍基单晶高温合金的Ｌａｒｓｏｎ－Ｍｉｌｌｅｒ曲线的预测。对预测的结果与试验结果进行了比较,证明该方法能够准确地预测镍基单晶高温合金的Ｌａｒｓｏｎ－Ｍｉｌｌｅｒ曲线。     

低膨胀高温合金抗氧化性能预测的研究

通过测定六种不同成分的低膨胀高温合金氧化增重曲线,提出合金元素作用系数,利用分析得到的合金元素作用系数对实验合金的氧化增重进行预测计算,其结果与实验结果吻合得很好。利用合金元素作用系数的概念和本研究所提出的方法可对低膨胀高温合金的氧化增重提供预测计算,借此可减少研究低膨胀高温合金氧化特性的试验工作量,为今后低膨胀高温合金的发展打下了基础。     

新型高性能粉末高温合金的研究与发展

粉末高温合金由于在高温下表现出一系列优越的性能而成为制造高推重比航空发动机涡轮盘等部件的首选材料,本研究总结和分析了国外第三代新型高性能粉末高温合金的研究成果,重点描述了这些合金的制备工艺和力学性能,并提出研制高性能粉末高温合金的重点发展方向.