激光焊接铸造镍基高温合金工艺研究

研究了铸造镍基高温合金（Ｋ３）激光焊接时工艺参数对焊缝熔深及熔宽的影响．讨论了焊缝及热影响区产生热裂纹的机制及防止措施．结果表明，采用合适的激光焊接工艺可得到有较高强度、没有裂纹和气孔等焊接缺陷的接头．     

镍基高温合金纳秒激光脉冲制孔再铸层形成过程数值模拟

镍基高温合金纳秒脉冲激光制孔过程中,会沿孔壁形成一层再铸层,严重影响合金的使用寿命。考虑了熔体内热对流和热传导作用,以及反冲压力、表面张力、热毛细力等因素的影响,建立了镍基高温合金纳秒脉冲激光制孔的三维数学模型。开展了脉冲能量为24mJ时,各脉宽参数下纳秒脉冲激光制孔的数值模拟研究。模拟结果与实验吻合较好。结果表明再铸层是由热和力共同作用下形成的。制孔过程中,孔壁温度很高,最高温度达到3200K以上,孔壁温度分布不均匀;反冲压力是引起熔体流动的重要因素,反冲压力导致的熔体流动速度很大,脉宽200ns时,最大可达到60m/s;并且由于表面张力的影响,孔壁会出现许多不规则的凹陷和凸起。由于熔体在孔开口处的对流作用,导致再铸层厚度在开口处最大。脉宽对熔体流动和再铸层的形成具有重要影响,脉宽越小,熔体速度越大,流动越剧烈,制孔后形成的再铸层厚度越薄。     

GH4037镍基高温合金激光打孔相变过程数值模拟

为了更准确地研究激光打孔相变过程,基于流体传热和流体力学理论,建立了GH4037镍基高温合金激光打孔相变模型。模型中考虑了重力、粘滞力、反冲压力的作用,以及材料的固-液相变和液-气相变过程,通过数值计算得到了激光打孔相变过程的温度场和速度场。结果表明,气化材料的反冲压力可以加快熔池的流动,在激光功率为2000W、脉宽为1.70ms时,材料最大气化蒸发速率可以达到250m/s。该模型为进一步开展激光打孔研究提供了理论基础。     

镍基高温合金激光焊接接头组织及裂纹形成原因

分析了激光焊接镍基合金时接头显微组织特征,对焊缝及焊接热影响区中热裂纹产生的原因,进行了初步探讨.研究认为,母材和焊缝中成分偏析及(γ+γ')低熔共晶的存在,是产生热裂纹的重要原因.     

镍基单晶高温合金水导激光钻孔工艺特性研究

为了探究不同激光功率及扫描速度下水导激光加工技术对镍基单晶高温合金加工微孔的影响规律及规律形成机理。使用自主研发的水导激光加工平台对镍基单晶高温合金CMSX-4在不同激光功率及扫描速度下进行1 mm微孔的加工。然后采用白光干涉仪、扫描电子显微镜和Vision64软件获得微孔加工时间、孔径、圆度、锥度及重铸层厚度随不同激光功率及扫描速度的变化规律,并研究变化规律的形成机理。结果表明,加工时间、锥度及重铸层厚度与激光能量强度有关。随着激光能量强度的增大,加工时间缩短,锥度变小,重铸层厚度变小。孔径和圆度受激光能量强度及其在材料表面分布的影响。仅当激光能量作用范围控制在水束直径范围下时,孔径及圆度相应获得较好的加工质量。     

第三代镍基单晶高温合金原位加温-拉伸的研究

本文通过环境扫描电子显微镜(ESEM)原位观察研究一种第三代镍基单晶高温合金以恒定速率在加温条件下的拉伸实验。在设定温度750℃下的实验结果表明:拉伸过程中由密排面{111}和密排方向〈110〉所组成的滑移系统最先启动,其它的滑移系统随着塑性变形的增加相继启动,并且该温度下拉伸样品在拉伸过程中产生位错运动,位错滑移以切过机制通过γ′强化相,从而合金出现中温硬化行为。     

镍基高温合金激光熔覆涂层组织及性能研究

为了研究高温合金激光熔覆涂层组织演变及力学性能,采用激光熔覆技术在2Cr25Ni20耐热奥氏体不锈钢表面制备镍基NiCrFeMo高温合金涂层.使用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、能量色散光谱仪、显微硬度计等微观分析测试手段对该镍基高温合金涂层的微观组织形貌、物相种类、界面元素分布与偏析、各区域的硬度进行分析.结果表明,基...     

激光熔覆修复定向凝固镍基高温合金及其拉伸性能

高Al、Ti含量的定向凝固镍基高温合金在传统的修复过程中由于较大的热输入，存在严重的热裂倾向。利用激光热量集中、能量输入小的特点，可以有效控制修复过程中的热输入，从而减小铸造基体的晶界液化和开裂倾向。在优选参数下，可以获得无裂纹的修复组织，并可实现定向凝固组织的连续生长。对修复组织进行热处理，结果表明热处理过程不会促使裂纹产生，也不会影响熔覆层组织的定向凝固特征，但对于其内部γ′相的析出行为及形貌有较大影响，从而影响了沉积层的力学性能。对沉积层的拉伸性能测试表明，无论在常温还是高温(900 ℃)下，沉积层的拉伸性能都达到了铸造基体拉伸性能的80%以上，而且均为塑性断裂，一定程度上满足了实际修复需求。     

Nd:YAG固体激光铣削单晶硅表面形貌研究

利用体视显微镜和扫描电子显微镜观察Nd:YAG固体脉冲激光铣削的单晶硅表面形貌,利用能谱分析仪EDAX对铣削表面进行成分分析。不同功率密度的激光铣削的单晶硅表面形貌差别比较大,其表面化学成分也存在较大差别。     

LPBF成形新型定向凝固镍基高温合金基础工艺研究

研究了激光粉末床熔融（LPBF）增材制造技术成形新型定向凝固镍基高温合金ZGH451的致密化行为、显微组织和凝固晶粒取向。结果表明：未熔合和凝固裂纹是主要冶金缺陷；通过增大激光功率、减小扫描间距和扫描速度，可以有效消除未熔合缺陷；在激光功率150 W、扫描层厚0.02 mm、扫描速度600～800 mm/s、扫描间距0.06～0.08 mm的工艺窗口内，可以获得无裂纹、高致密（致密度为99.9%）样品，其凝固组织主要由基本沿构建方向定向生长的柱状晶构成，具有典型的微细枝晶显微组织，一次枝晶间距小于1μm，二次枝晶不发达。枝晶间存在TiC和TaC颗粒析出，未观察到明显的γ/γ′共晶。样品呈现出一定的定向凝固特性，[001]织构明显，但相邻熔道搭接区域内仍有复杂热流产生的大取向差柱晶。样品力学性能优异，其屈服强度与传统定向凝固工艺制备的第三代单晶高温合金相当。研究结果证实了采用LPBF技术成形定向凝固ZGH451镍基高温合金的可行性。     

一种镍基单晶高温合金中碳化物热稳定性研究

利用SEM、TEM研究了一种镍基单晶高温合金中碳化物在950℃时效不同时间的退化规律。固溶处理过程中形成的MC碳化物随时效时间的增加而逐渐退化为M6 C和M23 C6碳化物。同时,由于在时效处理过程中Re元素进入M6 C碳化物中,破坏了其结构稳定性,促使M6 C碳化物也可以退化为M23 C6碳化物。至时效3000 h时,没有观察到碳化物退化的逆反应。本研究可以为高温合金高温下服役的稳定性提供实验参考。     

电介质对高温合金激光表面强化的增韧作用

从提高强化合金的吸光率和降低其热输入总量的角度出发，研究了电介质在高温合金激光表面强化中的行为特点和对热裂纹的抑制作用。     

高温合金K403的激光熔覆研究

研究了高温合金K403基体上商用镍基自熔合金和自配无硼、硅元素镍基合金的激光同步送粉熔覆过程,分析了基体组织状态、熔覆层材料和熔覆工艺参数对熔覆层裂纹倾向的影响,探讨了激光熔覆技术强化和修复高温合金叶片的可行性。研究发现,激光熔覆时大多数裂纹是从基体侧形成后深入到熔覆层中,而基体组织中缩松等铸造缺陷及晶界低熔点共晶的存在是熔覆层开裂的重要原因。采用无硼、硅元素合金熔覆改善了结合区性能,与自熔合金相比,有助于改善熔覆层裂纹倾向。加入适量稀土氧化物有助于减少或消除裂纹。熔覆工艺参数对裂纹产生的影响较大,存在一个无裂纹参数选择范围。研究证明,高温合金基体上熔覆无硼、硅元素合金更易于消除熔覆层裂纹,实现强化与修复更具优势。     

变功率激光熔覆镍基涂层裂纹特性研究

为解决航空发动机热端叶片的高损耗现状,提高叶片的表面性能以延长服役寿命,通过对镍基高温合金K417G表面进行变参数激光熔覆制备GH3536涂层,并通过光学显微镜、扫描电子显微镜、XRD衍射仪等仪器对熔覆层的宏观微观形貌进行观察并结合EDS能谱仪元素分布及偏析结果综合检测结果研究激光功率变化带来的熔覆层的成型质量以及性能影响。分析了熔覆层表面区域以及和基体结合区的裂纹缺陷程度以及缺陷形成原因,并通过对比激光功率变化带来的元素偏析影响与裂纹分布的关系,达到工艺参数优化的目的。熔覆层与基材结合界面呈波浪状,且于一定范围内,随着激光功率提升,熔覆层与基体组织交界区域的裂纹明显减少。熔覆层中元素偏析情况,随激光功率降低愈发明显以及伴随晶枝组织的生长方向偏转现象。     

两种取向镍基单晶高温合金拉伸变形行为原位研究

本文基于课题组开发的原位拉伸测试系统，结合扫描电镜(SEM)与数字图像相关方法(DIC),研究了[001]和[314]取向的二代镍基单晶高温合金在室温下的拉伸变形断裂行为和微观结构演变之间的关系。结果显示，镍基单晶高温合金的力学性能具有各向异性。室温下镍基单晶高温合金的拉伸变形主要以滑移带剪切γ′相为主，其中[001]取向试样开启■、■滑移系，表现为交叉滑移；而[314]取向开启■滑移系，表现为单滑移。不同晶体取向激活的滑移系统及数量不同，滑移引起的塑性变形区扩展方向不同，由此造成不同的延伸率。室温下，不同取向的合金为类解理断裂机制。不同晶体取向的合金，开启滑移系的数目与难易程度不同，呈现出不同的断口形貌特征。     

激光沉积镍基单晶合金的工艺与微观组织研究

为了探索合适的外延激光金属成形(E LMF)工艺沉积块状镍基单晶高温合金,选择了合适的激光功率、扫描速度、冷却方式组成了九组实验,得到了合适的工艺组合并研究了微观组织演变及形成机理。结果表明:在500W,13mm/s,3 g/min及一般水冷的工艺下可以实现无裂纹的连续外延生长;过大的冷却速度会导致过大的热应力从而诱发裂纹的产生;主体区域为外延生长区,在表面和两端存在非外延生长区。     

镍基单晶高温合金孔洞区域蠕变行为原位SEM研究

本文采用扫描电镜(SEM)原位高温蠕变实验研究方法,在780℃/720 MPa的蠕变条件下,对镍基单晶高温合金开展蠕变实验,实时观察了孔洞区域显微组织原位演化过程。实验结果表明：蠕变开始后孔洞处应力集中,变形集中于孔洞区域,孔洞旁产生45°及135°方向以及垂直于应力轴的裂纹,多个孔洞共同作用可引起颈缩。颈缩发生后真实应力增加,促进颈缩区孔洞处裂纹垂直于应力轴扩展,而非颈缩区裂纹在切应力作用下沿45°以及135°方向发生扩展。此外蠕变第一阶段已经发生颈缩,导致第二以及第三阶段时间较短,缩短蠕变寿命。揭示了高温下孔洞缺陷对蠕变行为的影响规律及机制,对蠕变寿命预测及高温合金研发有一定启发意义。     

镍基高温合金K403的脉冲激光熔覆涂层应用研究

为了对现服役的的K403高温合金渗铝叶片的失效区进行性能恢复,采用YAG固休脉冲多功能激光加工器在涡轮叶片K403基体上进行了激光熔覆实验,研究热处理对基体显微组织和对熔覆层的影响,不同激光熔覆参数(电流、脉宽、频率)条件下寻求适合对K403进行激光熔覆修复的粉末,熔覆之后显微组织和性能以及显微硬度的变化.实验采用金相...     

激光冲击对中高温服役条件下镍基合金K417显微硬度的影响

为研究中高温环境下的激光冲击强化效果,采用功率密度8.5GW/cm2、脉冲宽度10ns的强激光对K417镍基合金冲击改性,利用维氏硬度法测试其在700℃、800℃、900℃保温后的显微硬度值。结果表明中高温保温后,激光冲击硬化效果有所减弱,但不同温度下激光冲击区域的平均硬度均明显大于未冲击区域;深度方向硬度近似呈指数形式衰减,硬化层深度随温度的增加呈减小趋势;单个光斑径向硬度分布与激光空间分布特性导致的等离子体冲击波不均匀相关。研究表明在800℃以下,激光冲击有效提高了K417的综合性能指标。