镍基单晶合金[011]取向γ′相筏形化的有限元分析

研究1 040℃、137 MPa拉伸蠕变期间[011]取向镍基单晶高温合金中γ′相的演化方式.采用三维有限元方法计算单晶合金在有/无外加载荷时von Mises应力及弹性应变能密度在γ和γ′两相中的分布.结果表明:沿[011]取向施加拉伸应力时,(001)晶面的von Mises应力远大于(001)晶面的Von Mises应力,3个晶面的应变能密度差异驱动γ′相形成元素从变形较大的(001)晶面向变形较小的(010)和(100)晶面扩散,而γ相形成元素反向扩散,导致γ′相沿[010]和[100]取向扩散生长,形成垂直于[001]方向且与应力轴倾斜成45°角的层片状筏形组织.     

镍基单晶合金热弹塑性应力-应变场数值模拟

利用ANSYS有限元结构分析软件的参数化设计语言APDL和用户可编程特性UPFs,将考虑拉-剪耦合效应的镍基单晶合金屈服准则和弹塑性本构模型集成到ANSYS软件中,实现对镍基单晶合金弹塑性有限元应力-应变场的分析。对温度为680℃的[001]、[011]和[111]3种取向的DD3镍基单晶合金试样进行单向拉伸热弹塑性应力-应变数值模拟,并与试验数据进行对比,最后,对单晶涡轮盘片进行循环应力应变分析。     

镍基单晶合金热弹塑性应力-应变场数值模拟

利用ANSYS有限元结构分析软件的参数化设计语言APDL和用户可编程特性UPFs,将考虑拉-剪耦合效应的镍基单晶合金屈服准则和弹塑性本构模型集成到ANSYS软件中,实现对镍基单晶合金弹塑性有限元应力-应变场的分析.对温度为680℃的[001]、[011]和[111]3种取向的DD3镍基单晶合金试样进行单向拉伸热弹塑性应力-应变数值模拟,并与试验数据进行对比,最后,对单晶涡轮盘片进行循环应力应变分析.     

单晶镍基合金[001]取向拉伸蠕变期间的有限元分析

通过[001]取向的镍基单晶合金拉伸蠕变期间的组织形貌观察,确定合金的组织演化特征;采用三维应力应变有限元方法计算立方γ/γ′两相共格界面的von Mises应力分布,研究施加应力对合金中γ/γ′两相应力分布及γ′相定向粗化规律的影响.结果表明:施加拉应力可改变立方γ/γ′两相的应力分布,使不同晶面发生晶格收缩与扩张应变,其中,(100)和(010)晶面沿平行于应力轴方向产生晶格扩张应变,可诱捕较大半径的Al、Ti原子,是使其γ′相沿扩张晶格的法线定向生长成为类似筛网层状结构的组织演化规律.并进一步提出拉应力蠕变期间,发生元素扩散和γ′相定向生长的驱动力.     

晶体取向对一种单晶镍基合金高温蠕变性能的影响

研究了一种镍基单晶高温合金CM186LC在两个晶体取向下的高温蠕变性能。在不同的温度压力条件下,对[001]和[011]取向试样均进行拉伸蠕变试验,并用扫描电子显微镜观察各试样断口的微观结构特征。蠕变试验结果显示:在750℃/700 MPa和900℃/320 MPa的蠕变试验条件下,[001]晶体取向试样蠕变寿命高于[011]晶体取向试样,特别是在750℃/700 MPa的蠕变试验条件下,试样各向异性程度更高。利用扫描电子显微镜观察试样的断口和组织结构表明:在750℃/700 MPa试验条件下,[001]取向试样断裂特征为解理型断裂,[011]取向试样断裂特征为剪切断裂;在900℃/320 MPa试验条件下,两种取向试样断裂特征均为韧性断裂。由此可见,晶体取向对镍基单晶高温合金CM186LC的蠕变性能有显著地影响。     

镍基单晶高温合金不同温度下的拉伸性能

为了研究一种镍基单晶高温合金从室温到1100℃范围的拉伸变形与断裂行为,利用扫描电子显微镜和透射电子显微镜对拉伸断口及变形后位错组态进行观察和分析.结果表明：合金的屈服和抗拉强度均在约800℃时达到峰值,而塑性与强度的变化规律基本相反.室温和中温拉伸条件下,断口表现为解理断裂;而高温时则为微孔聚集型断裂.室温拉伸条件下,合金的主要变形方式为单根位错剪切γ′相;高温下为位错绕过γ′相;中温下则表现为由剪切到绕过的过渡.     

淬火温度对QAl10-5-5铜铝合金组织性能的影响

以主要元素为Cu80-Al9.8的合金为研究对象,经淬火处理后发现,随着淬火温度的升高,合金中白色的α相组织和黑色颗粒状的k相组织逐渐减少,黑色β相组织逐渐增多;淬火温度升至950℃时,合金中的k相组织已基本消失,合金中有较多的β相组织,α相在β相界面及晶体内析出,且逐渐减少。经常温(10～25℃)拉伸后发现,合金的抗拉强度、屈服强度、延伸率均呈现先升后降的趋势。淬火温度在900℃时,合金的抗拉强度、屈服强度分别为743MPa和410MPa。950℃淬火时,合金的抗拉强度、屈服强度迅速下降至600MPa、340MPa,可见温度为900℃时兼顾了合金的强度和塑性,为适宜的热处理工艺。     

DD26镍基单晶高温合金的高温持久性能各向异性

为了研究取向对DD26镍基单晶高温合金持久性能的影响,对实验合金进行了高温蠕变测试.结果表明,持久寿命随取向变化逐渐降低的顺序为:[111]靠近[001]-[111]边界靠近[001][001]-[011]边界[011].靠近[111]取向的试样,由于具有较小的Schmid因子,位错不易开动,所以持久寿命最长.而靠近[001]取向的试样具有较大的Schmid因子,致使可以开动的滑移系最多,所以伸长率最大.靠近[001]-[011]边界和[011]取向的试样在蠕变过程中取向会向[001]-[111]边界旋转,并且较大的旋转造成这些取向的试样具有较短的持久寿命.     

一种镍基单晶合金的拉伸蠕变特征

研究了[001]取向镍基单晶高温合金的高温拉伸蠕变性能,通过SEM、TEM观察分析了相的形貌演化及合金的变形机理．结果表明：在980～10200C／200～280MPa条件下蠕变曲线均由初始、稳态及加速蠕变阶段组成;在拉伸蠕变期间γ’强化相由初始的立方体形态演化为与应力轴垂直的N-型筏形状;初始阶段位错在基体的八面体滑移系中运动,稳态阶段不同柏氏矢量的位错相遇,发生反应形成位错网;蠕变末期,应力集中致使大量位错在位错网破损处切入筏状γ’相是合金发生蠕变断裂的主要原因．     

一种单晶镍基合金热处理制度的研究

通过对一种单晶镍基合金的差热曲线分析和不同条件热处理后的组织形貌观察，制定合金热处理工艺，并研究了热处理期间γ′相的组织演化规律.结果表明，实验用合金的热处理“窗口”是1 272～1 320 ℃，在1 300 ℃时，γ′相有最大的溶解速度，1 040 ℃析出的γ′相最为稳定，在该温度时效50 h后，γ′相长大，且呈球状和条状形貌，γ′/γ两相之间出现界面位错.因此，确定出该合金的热处理工艺为1 280 ℃,4 h,A.C+1 300 ℃,4 h,A.C+1 040 ℃,4 h,A.C+870 ℃,24 h,A.C.一次时效促使γ′相长大呈立方体形貌；二次时效期间，γ′相略有长大，立方度增加，排列更加规则.     

固溶处理对Mg-2Zn-3Y合金组织和性能的影响

为了研究固溶处理对铸态Mg-2Zn-3Y合金组织和性能的影响,采用光学显微镜、X射线衍射仪、扫描电子显微镜、拉伸试验机和维氏硬度计对固溶处理后的合金进行了组织分析及性能测试.结果表明：Mg-2Zn-3Y合金中含有LPSO相和W相,随着固溶温度的升高,块状LPSO相区域逐渐出现层片状形貌,W相发生球化、粗化和重熔现象,合金的抗拉强度、屈服强度、伸长率和硬度均呈现先升高后降低趋势;经450℃固溶12 h后,合金的强化效果最佳,抗拉强度为187 MPa,屈服强度为107 MPa,伸长率为8.0%,硬度为82.5 HV.     

冷却方式对K416B合金显微组织和力学性能的影响

为了明确K416B合金铸态组织和性能不稳定的原因,通过不同冷却方式制备了K416B合金,研究冷却方式对K416B合金组织和力学性能的影响.结果表明：合金铸态组织和力学性能受冷却方式影响较大.单壳方式下合金MC碳化物多呈骨架状,共晶含量较高;埋砂方式下合金MC碳化物呈块状,共晶含量较低;单壳和埋砂两种方式下合金共晶形貌呈蜂窝状,γ′相尺寸较小,MC碳化物形貌完好,合金室温拉伸强度和持久寿命较高;一直埋砂方式下合金共晶形貌多为块状,部分MC碳化物分解为M₆C,γ′相发生了明显粗化,合金室温拉伸强度和持久寿命显著下降.     

DD99单晶高温合金的高温组织演化研究

为了研究DD99镍基单晶高温合金的高温组织变化规律,通过高温热处理炉对DD99单晶高温合金进行了不同加热温度和保温时间的试验.采用场发射扫描电镜和显微硬度计分别对不同热处理状态的试样进行组织观察和显微硬度的测试.结果表明:随着温度的升高,保温时间的延长,DD99中的γ′相会发生回熔、连接及合并,尺寸不断增加,然后在γ基体通道中形成二次的颗粒状γ′相,该二次相会随温度的升高逐渐长大.二次γ′相的长大程度和Al、Nb等元素的扩散密切相关.性能试验也表明DD99单晶高温合金在保温100h后的试样随加热温度升高存在着明显的变化趋势,即硬度先降低后升高.     

枝晶间距对镍基单晶合金蠕变性能的影响

为了研究枝晶间距对镍基单晶合金组织与蠕变性能的影响,采用不同抽拉速率制备出两种不同枝晶间距的单晶镍基合金.通过蠕变性能测试及组织形貌观察,研究了枝晶间距对合金成分偏析及蠕变性能的影响.结果表明,随着合金枝晶间距的减小,元素成分偏析程度降低,且在相同热处理条件下,枝晶间距较小的合金具有较好的蠕变性能.合金在稳态蠕变期间的变形机制是位错攀移越过筏状γ′相,而蠕变后期的变形机制是位错在基体中滑移和切入筏状γ′相.蠕变断裂后,在试样不同区域筏状γ′相具有不同的形貌,在远离断口区域,筏状γ′相与应力轴方向垂直,而在近断口区域,筏状γ′相尺寸及扭曲程度均增加.     

Re质量分数对单晶高温合金组织和性能的影响

为了研究Re在单晶高温合金中的作用,基于Rene N5的合金成分,调整了Re的质量分数,拉制了Re质量分数分别为2.5%、3%和3.5%的三种不同镍基单晶高温合金,研究了Re质量分数的变化对合金组织及持久性能的影响.研究结果表明:完全热处理后,三种合金都获得了规则的立方体形γ′相,随着Re质量分数的增加,γ′相尺寸逐渐减小.在982 ℃/248 MPa的持久条件下,随着Re质量分数的增加,合金的持久寿命呈先增加后降低的趋势; 在持久试验过程中,三种合金中均析出了μ相,且随着Re质量分数的增加,μ相含量逐渐增加.在871 ℃/552 MPa的持久条件下,合金的持久寿命随着Re质量分数的增加而增加,没有μ相析出.     

微量Hf对变形TiAl合金组织和力学性能的影响

对比观察含Hf和不含Hf的TiAl合金的变形组织和热处理组织，发现在1310℃／1h／AC热处理后均获得近全层片组织，平均晶粒尺寸为50～70μm，γ相的体积分数为12％左右；退火温度升高至1320℃，则均获得了全层片组织，平均层片团尺寸为200～300μm．在同为近全层片组织下进行力学性能试验发现：添加合金元素Hf，使TiAl合金800℃高温拉伸强度提高60MPa和800℃，150MPa应力持久寿命由84h提高到128h．     

挤压比对AZ91镁合金组织及力学性能的影响

研究了挤压比对热挤压AZ91镁合金显微组织和拉伸性能的影响.结果表明：热挤压可以显著细化AZ91镁合金的晶粒，而且随着挤压比的增加，晶粒变得更加细小；增大挤压比也可以提高AZ91镁合金在不同实验温度下的抗拉强度和屈服强度，且经过3种挤压比挤压的AZ91镁合金在150 ℃时均呈现最高的抗拉强度和屈服强度；此外，经不同挤压比挤压的AZ91镁合金的伸长率均随实验温度的升高而增加.通过拉伸断口形貌的扫描电镜分析，确定了热挤压AZ91镁合金在室温拉伸时均表现为解理断裂为主的脆性断裂，而在较高温度下拉伸时则基本呈现韧性断裂特征.     

挤压态Mg—Zn—Nd镁合金的组织与力学性能

为了确定稀土元素Nd在Mg-Zn系镁合金中的合金化作用,以添加0.5%～3%Nd的挤压态Mg-1%Zn-xNd镁合金为实验材料,在室温、150℃和200℃下进行了拉伸试验,确定了合金在不同温度下的抗拉强度、屈服强度及伸长率,探讨了稀土元素Nd对Mg-Zn系镁合金的拉伸性能的影响规律.结果表明,室温下,随着Nd含量的增加,抗拉强度不断升高,而屈服强度则先降低后升高;在150℃和200℃下.合金的抗拉强度和屈服强度随Nd含量的增加则呈现不同的变化规律.此外,Nd含量为0.5%、1%和3%的合金的伸长率随试验温度的升高呈现先增大后减小的趋势,而Nd含量为2%的合金的伸长率则随试验温度的升高而持续增大.     

挤压态Mg－Zn－Nd镁合金的组织与力学性

为了确定稀土元素Nd在Mg,Zn系镁合金中的合金化作用, 以添加0.5%～3%Nd的挤压态Mg镁合金为实验材料,在室温、150℃和200℃ 下进行了拉伸试验,确定了合金在不同温度下的抗拉强度、屈服强度及伸长率,探讨了稀土 元素Nd对Mg,Zn系镁合金的拉伸性能的影响规律.结果表明,室温下,随着Nd含量的增加, 抗拉强度不断升高,而屈服强度则先降低后升高;在150℃和200℃下,合金的抗拉强度和屈服强度随Nd含量的增加则呈现不同的变化规律.此外,Nd含量为0.5%、1%和3%的合金的伸长率随试验温度的升高呈现先增大后减小的趋势,而Nd含量为2%的合金的伸长率则随试验 温度的升高而持续增大.     

热处理对喷射成形镍基高温合金γ'相的影响

采用光学显微镜和扫描电镜研究了热处理对喷射成形镍基高温合金GH742y组织的影响.结果表明:采用合适的热处理工艺能使沉积态合金中疏松组织减少,随着固溶温度的升高,合金的晶粒尺寸没有发生明显的变化.在 1140℃及其以上温度固溶处理时,γ ′能够完全固溶于基体.在1140℃固溶处理后进行时效处理,随时效时间延长,γ′相平均半径逐渐增大,并且在时效初期γ′相长大速度较快,在时效后期γ′相长大趋势变缓.γ′相的大小和分布随加热温度和保温时间的变化而变化.γ′相的形貌随着时效时间的延长,由梅花状逐渐变得圆润,而分布则越来越不平衡,聚集并长大.