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.     

[110]方向作用下单晶镍基高温合金γ′相定向筏化的有限元分析

采用三维各向异性有限单元法分析了外载荷沿[110]方向作用时,镍基高温合金单晶的von Mises应力分布特征.von Mises应力的不对称性可以用来预测正错配或副错配合金的筏化形貌.同时运用原子扩散的原理详细地讨论了定向筏化原因.     

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．     

单晶合金中孑L洞对蠕变行为的三维有限元模拟

通过对有/无缺陷单晶镍基合金蠕变性能测试、组织形貌观察及采用三维有限元对近孔洞区域的应力场分析,研究组织缺陷对单晶合金蠕变行为及组织演化的影响.结果表明:组织缺陷可明显降低单晶镍基合金的塑性和蠕变寿命.在高温蠕变期间,近孔洞区域的应力等值线具有磲形分布特征,并沿与施加应力轴成45°角方向有较大值,该应力分布特征可使合金中γ′相转变成与施加应力轴成45°角的筏状结构,并使圆形孔洞沿应力轴方向伸长成椭圆状.蠕变期间,在合金圆形孔洞缺陷的上、下区域具有较小的应力值,而在圆形孔洞的两侧极点处具有最大应力值;随蠕变时间延长,应力值增大,促使裂纹在该处萌生,并沿垂直于应力轴方向扩展,这是降低舍金蠕变寿命的主要原因.     

[110]方向作用下单晶镍基高温合金γ'相定向筏化的有限元分析

采用三维各向异性有限单元法分析了外载荷沿[110]方向作用时,镍基高温合金单晶的von Mises应力分布特征.von Mises应力的不对称性可以用来预测正错配或副错配合金的筏化形貌.同时运用原子扩散的原理详细地讨论了定向筏化原因.     

单晶镍基高温合金蠕变曲线的预测

根据单晶镍基高温合金蠕变过程的微观机制，提出采用θ蠕变曲线方程对其进行蠕变曲线的预测.首先，应用该方法对1 100 ℃、150 MPa下的实测蠕变曲线进行拟合；然后，依据不同条件下的拟合结果求出方程中5个基本参数的数学表达式，再通过θ蠕变曲线方程对合金在1 100 ℃、120 MPa条件下的蠕变曲线进行预测.结果显示，该方程很好地再现了单晶镍基高温合金蠕变曲线的前两个阶段，其精度是以往预测方法所不能达到的.表明，用本方法预测单晶镍基高温合金的蠕变寿命具有实际意义，文中给出的θ蠕变曲线方程是可以信赖的.     

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.     

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.     

镍基高温合金定向粗化行为的有限元分析

镍基高温合金广泛应用于燃气轮机的叶片、涡轮盘和燃烧室等高温部件．针对镍基单晶高温合金的服役条件和结构特点,采用有限元方法建立数学模型,有限元分析时用热膨胀系数代替正负错配的选择,用柔度矩阵的计算表达单元各向异性,并计算静水压力（hydrostatic pressure）及等效应力（von Mises stress）分布,研究负错配的情况下镍基高温合金在[111]取向上受载时γ’颗粒的定向粗化行为,结果表明γ’颗粒的粗化方向及形态依赖于应力轴取向．     

镍基单晶合金板裂纹尖端塑性区分析

裂纹尖端塑性区对研究裂纹开裂扩展具有重要意义.应用Hill屈服准则和考虑拉-剪耦合的修正Hill屈服准则,对镍基单晶合金板裂纹尖端塑性区进行了分析.得到了Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅰ、Ⅱ复合型裂纹尖端塑性区.对镍基单晶合金板内裂纹尖端塑性区与各向同性材料板内裂纹尖端塑性区进行了比较.讨论了拉-剪耦合、Ⅰ、Ⅱ复合型裂纹复合比及温度对裂...     

时效期间含Re镍基单晶合金中TCP相的演化

为了研究单晶合金中TCP相的演化过程,采用对含Re镍基单晶合金进行1100 ℃长期时效处理及组织形貌观察等方法,研究了时效期间合金中析出TCP相的演化特征.结果表明：元素W、Re可促进TCP相的析出,合金在1100 ℃长期时效期间,TCP相沿{111}晶面<110>取向呈片状析出,并确定出析出的TCP相为μ相,其中在不同晶面观察多组针状μ相可相互垂直或互成60°排列.在长期时效期间,片状μ相逐渐粗化、出现沟槽直至发生溶断,并逐渐转变成球状形貌.随w（Re）增加,合金的偏聚自由能降低,可使片状μ相粗化及形成γ′/μ两相凹凸界面;而在曲率半径较小处产生附加压力,引起溶质元素在μ相中化学位提高,是致使片状μ相发生分解及逐渐球化的主要原因.     

FGH95镍基合金的相组成及γ′相的粒度分布

为了研究FGH95合金的相组成及γ′相的粒度分布,采用电解萃取方法提取热处理态FGH95合金中的γ′相,测定γ′相的相组成结构式;通过XRD曲线测定γ′、γ相的晶格常数及错配度,对萃取的合金中γ′相粉末进行小角度衍射,测定出γ′相的粒度分布.结果表明,经1140℃固溶和时效处理后,合金的组织结构由γ′相（质量分数约为47.8%）、γ相（质量分数约为51.2%）、（Nb,Ti）C、（Nb,W）B₂、Nb₃B₂和Cr₂₃C₆等碳、硼化物（质量分数约为1%）组成,γ′相的结构组成式为（Ni_0.896Co _0.055Cr _0.017Fe _0.031）₃（Ti _0.224Nb _0.134Al_0.473Mo _0.038W _0.066Cr _0.064）,其中,在36~60nm和60~96nm尺寸范围内的γ′相粒子质量分数分别为306%和291%,且细小γ′相在晶内弥散分布,而粗大γ′相分布于较宽的颗粒边界区域,并进一步测算出合金中γ′、γ两相的晶格常数分别为0.35986nm和0.35912nm,晶格错配度为0.2058%.     

镍基单晶高温合金亚结构细化和偏析研究

利用高梯度定向凝固技术（ＨＧＤＳ）对镍基单晶高温合金亚结构枝晶组织的超细化和显微偏析进行了研究。结果表明,在高的凝固界面温度梯度下,得到具有超细枝晶组织的材料,枝晶偏析的程度和尺度都减小,对均匀化处理和提高材料的性能都有利。     

镍基非晶态合金的热稳定性

采用化学镀法制备了Ni-P、Ni-Fe-P、Ni-W-P非晶态镍基合金,分别利用EDS、XRD等手段对非晶态镍基合金的成分、结构进行了表征,采用热分析方法对3种不同组分非晶态镍基合金的热稳定性进行了研究。结果表明,所制备的镍基合金均具有非晶态结构,在非晶态镍基合金中加入铁、钨元素有利于提高其热稳定性。     

工艺参数对镍基单晶高温合金DD98瞬态液相连接组织的影响

利用Ni-Cr-Co-W-B合金作为中间层合金对DD98镍基单晶高温合金进行瞬态液相连接,利用光学显微镜和扫描电镜对不同连接温度和时间下的接头组织进行观察分析,结果表明,连接区域由连接区,扩散区和基体区组成,随着连接温度的提高或保温时间的延长,连接区上的残余液相宽度逐渐变窄.     

基于微观胞元的镍基单晶合金应力松弛数值模拟

对DD3镍基单晶高温合金薄壁圆筒试样在680 ℃进行了拉/扭低周疲劳试验,基于单晶合金的微观结构特性,建立了γ/γ′双相微观多胞元力学模型,采用双线性随动Hill硬化模型,对试样进行拉/扭循环位移加载有限元数值模拟。研究结果表明：高温非对称循环载荷下,试样轴向表现出应力松弛行为和非弹性形变累积,其中基体相最先出现塑性累积变形,导致低周疲劳破坏。数值模拟研究发现,使用单个胞元模型进行拉/扭多轴位移加载,会出现边界应力畸变现象,与试验结果不相吻合,而采用多个胞元力学模型则可以避免发生边界应力畸变现象,能够更好地模拟高温非对称循环载荷下的应力松弛行为和对单晶合金进行应力弱化损伤研究。     

DD419镍基单晶高温合金980℃下低周疲劳行为研究

对DD419镍基单晶高温合金在980℃下的低周疲劳行为进行试验研究,并对疲劳数据进行分析,获得该温度下合金疲劳参数。结果表明：该合金低周疲劳变形过程中,弹性变形起主要作用,塑性变形较低;循环应力响应行为以先循环软化、再趋于稳定为主要方式,并且随着应力幅的增加,循环寿命不断降低。低应变幅下,合金的疲劳断裂表现为脆性断裂的特征,并呈现出明显的多源疲劳特征,微观断口形貌的主要特征是出现准解理台阶,可判断准解理断裂是主要的断裂机制。     

选区激光熔化成形镍基718合金的工艺及性能

为研究选区激光熔化技术(SLM)的激光工艺参数对Inconel718相对致密度、维氏硬度、显微组织方面的影响,实验采用FORWEDO LM120型激光熔化设备对四项激光工艺参数,扫描速度、激光功率、激光能量密度和扫描策略进行实验研究从而提升工件性能。结果表明:扫描速度、激光功率是影响成形性的主要因素,并获得优化工艺范围:激光功率(285～345 W);扫描速度(950～1 150 mm/s),可获得较少孔隙、裂纹缺陷且相对致密度达98.94%的成形件,拉伸强度和屈服强度均接近于锻造+退火工艺性能。散热特点导致试样组织形貌的差异性,在层积方向上得到定向凝固的柱状晶组织;试样的维氏硬度随着组织细化和致密化而提高。     

热处理对单晶镍基合金成分偏析与持久性能的影响

为了考察热处理工艺对成分偏析及持久性能的影响,通过不同条件的热处理及微区成分分析,研究了固溶温度对合金中枝晶臂/枝晶间区域难熔元素偏析的影响.根据DSC曲线分析、组织形貌观察及持久性能测试,研究了热处理工艺对合金持久性能的影响.结果表明：铸态合金中元素Cr、Co、Mo、Re富集于枝晶干,元素Al、Ta、W等富集于枝晶间,经高温固溶处理可明显降低难熔元素在枝晶臂/间的偏析程度.根据DSC曲线确定出合金的初熔温度为1325℃,并制定出合金的热处理工艺.经较低温度固溶处理,合金中难熔元素的偏析程度较大,形成的筏状γ′相与应力轴方向成45°角,合金具有较短的持久寿命;而经1320℃高温固溶处理,元素的偏析程度减小,可较大幅度地提高合金的持久寿命.     

火焰喷焊铁基和镍基合金层的组织与性能

对16Mn钢表面氧乙炔火焰喷焊自熔性铁基及镍基合金粉末得到铁基合金喷焊层和镍基合金喷焊层,并对两种喷焊层进行了显微组织,组成相,硬度和耐磨性以及抗热疲劳性能的比较研究,结果表明,两种堆焊层组织都具有枝晶生长特征,枝晶间存在着共晶组织,两种涂层均由γ固溶体和多种共晶化合物相组成,但镍基合金喷焊层的枝晶比较细小,镍基合金喷焊层比较基合金喷焊层具有较高的硬度和耐磨性,同时也具有较好的抗热疲劳性能。