镍基单晶高温合金定向凝固的数值模拟

概述了目前国内外镍基单晶高温合金定向凝固数值模拟的研究进展,定向凝固过程的数值模拟由宏观向微观转变,详细介绍了微观组织数值模拟的几种主要方法:决定论方法、随机论方法和相场方法,评述了这几种方法的特点以及局限性,指出宏观和微观现象的完整耦合可以对镍基单晶高温合金凝固过程做出更加准确的模拟预测。     

镍基单晶高温合金凝固缺陷研究进展

镍基单晶高温合金的凝固缺陷对其力学性能有很大的影响,减少和控制凝固缺陷对提高合金性能和降低成本具有重要意义.综述了镍基单晶高温合金定向凝固过程中可能出现的几个重要缺陷,包括缩松、雀斑、晶体取向的偏离和杂晶,重点讨论了这些缺陷的特点和产生的机理,并从合金成分、工艺参数、铸件结构等方面分析了凝固缺陷的影响因素,指出了减少单晶高温合金凝固缺陷的措施.     

定向凝固镍基高温合金DZ17G的持久寿命

分析了定向凝固镍基金高温合金DZ17G在广泛应力范围（105-950MPa）内的高温（650-980℃）持久实验数据。结果表明，在同一温度下，合金的持久寿命与施加应力间的关系符合半对数规律，可以利用Manson-Succop系数法对短期实验数据进行外推，以预测长期持久寿命。给出了DZ17G合金的持久方程及热强参数综合方程，预测值与实测值得很好符合。     

镍基高温合金定向凝固过程中雀斑缺陷研究进展

本文简述了近年来定向和单晶镍基高温合金凝固过程中雀斑缺陷的研究进展,具体论述了雀斑缺陷的形成机制以及雀斑的预判模型,并从合金成分、凝固参数(抽拉速率和温度梯度)、凝固界面形态以及试样形状和尺寸等方面分析和论述了这些因素对雀斑缺陷形成的影响,最后对未来镍基高温合金中雀斑缺陷的研究方向进行了探讨和展望。     

镍基单晶高温合金DD403显微偏析

采用选晶法在改进型Bridgman定向凝固炉中制备镍基单晶高温合金DD403,利用电子探针(EPMA)技术研究了DD403合金在枝晶生长条件下的显微偏析。结果表明,随着抽拉速率增加DD403的偏析程度逐渐加剧。偏析于枝晶间元素Al、Ti和枝晶干元素Co、W的偏析程度随着抽拉速率的增加而增大,而合金元素Mo和Cr的偏析比接近于1,基本不存在偏析,且偏析比随抽拉速率增加没有明显变化。研究结果同时表明,随着抽拉速率增加DD403的共晶含量逐渐增加。     

单晶高温合金定向凝固过程数值模拟

实测了不同抽拉速度单晶高温定向凝固过程的初始条件,边界条件及温度场,建立了数值模拟系统的实体模型,采用ＰｒｏＣＡＳＴ有限元模拟软件包计算了不同抽拉速度单晶合金试板的定向凝固过程温度场。     

抽拉速率对一种镍基单晶高温合金凝固参数和凝固组织的影响

研究了不同的铸型抽拉速率对镍基单晶高温合金DD98的凝固参数及显微组织的影响，结果表明，随着抽拉速度降低，固－液界面前沿的温度梯度显著提高，糊状区宽度减小，抽位速度较低时，温度梯度在整个凝固过程中变化比较平稳，提高抽拉速率使DD98合金由胞状凝固转变为枝状凝固，γ′相尺寸减小，并且由不规则形状逐渐变为规则的立方体形状，γ／γ′共晶量增加，共晶中的初生γ′相尺寸逐渐减小。     

镍基单晶高温合金杂晶缺陷的研究进展

随着单晶涡轮叶片结构的不断优化和高温合金中难熔元素添加量的增大,镍基高温合金单晶叶片在凝固过程中更易出现杂晶、条纹晶、枝晶碎臂、小角度晶界等缺陷。其中,杂晶是单晶叶片制备过程中最常见的一类凝固缺陷,严重影响单晶叶片的成品率。为了减少该类凝固缺陷的产生,提高叶片的成品率,研究镍基单晶高温合金杂晶缺陷的形成机制、影响因素及其控制措施,对提高单晶叶片的服役性能具有重要意义。因此,关于定向凝固过程中杂晶缺陷的形成机制、影响因素及其控制措施的研究,引起了国内外研究者的广泛关注。本文综述了单晶叶片的制备技术,分析了籽晶法和选晶法制备单晶叶片过程中不同位置杂晶的形成机理,分别讨论了选晶段杂晶、籽晶回熔区杂晶、缘板杂晶的影响因素和控制措施,并对未来的研究方向进行了展望。     

镍基单晶高温合金小角度晶界的形成机制、影响因素与控制措施

镍基单晶高温合金被广泛用于制备先进航空发动机及工业燃气轮机的关键热端部件,随着铸件结构的复杂化和大型化以及合金中难熔元素的增多,凝固缺陷的形成倾向增大。其中,小角度晶界是定向凝固制备单晶高温合金铸件过程中经常出现的一类缺陷,它会破坏单晶的完整性,一旦超过容限就会对铸件的力学性能造成恶劣影响,随着单晶高温合金服役温度的不断提高,小角度晶界对性能的损害会更为严重。因此,小角度晶界日益成为镍基单晶高温合金发展和应用中需要解决的重要课题,受到国内外研究者的广泛关注。单晶中的小角度晶界与传统意义上的小角度晶界有所不同,是指相邻枝晶间的取向偏离。研究者们在不同晶界偏离角及不同温度条件下就小角度晶界对合金持久性能、蠕变性能及疲劳性能的影响进行了研究,结果发现:当偏离角较小时,小角度晶界对合金性能的影响并不明显,但是随着偏离角的增大及温度的升高,合金的性能均会降低。为了探寻有效的预防和控制措施,研究者们就小角度晶界的形成机制及影响因素进行了研究。关于小角度晶界的形成机制,被大家普遍认同的观点是:枝晶在分枝生长过程中发生了塑性变形,从而导致了枝晶的取向偏离,当枝晶再次汇聚时就会产生小角度晶界。但是,关于枝晶变形的原因则没有一致看法。另外,关于小角度晶界影响因素的研究还不是很系统,主要集中在合金成分及晶界强化元素、凝固参数及取向、铸件尺寸等方面。镍基单晶高温合金中的小角度晶界归根结底是由枝晶的取向偏离导致的,而取向偏离的影响因素复杂,因此小角度晶界的出现很难完全避免。目前,主要通过取向控制以减少小角度晶界的产生,并通过晶界强化以提高合金对小角度晶界的容限。本文阐明了单晶高温合金中的小角度晶界的概念,总结了小角度晶界对合金力学性能的影响,综述了小角度晶界形成机制的研究进展,分析了合金元素、微量元素、凝固条件和铸件结构等因素对小角度晶界形成的影响,在此基础上,提出了减少小角度晶界的措施和强化晶界的途径,最后就未来的研究方向进行了展望。     

镍基单晶高温合金研究进展

单晶高温合金因具有较高的高温强度、优异的蠕变与疲劳抗力以及良好的抗氧化性、抗热腐蚀性、组织稳定性和使用可靠性,广泛应用于涡轮发动机等先进动力推进系统涡轮叶片等部件。由于采用定向凝固工艺消除了晶界,单晶高温合金明显减少了降低熔点的晶界强化元素,提高了合金的初熔温度,能够在较高温度范围进行固溶和时效处理,其高温强度比等轴晶和定向柱晶高温合金也大幅度提高。经过几十年的发展,单晶高温合金已经在合金设计方法、组织结构与力学性能关系、纯净化冶炼工艺和定向凝固工艺等方面取得了重要进展。从单晶高温合金成分特点、合金元素作用、强化机理、力学性能各向异性、凝固过程及缺陷控制、单晶制备工艺等方面,简要介绍了单晶高温合金的主要研究进展。     

一种镍基单晶高温合金凝固组织的截面尺寸效应

采用快速凝固法拉制壁厚分别为0.8,1.5,2.5mm的单晶薄壁试样,研究了一种镍基单晶高温合金凝固组织的截面尺寸效应.结果表明:随截面尺寸减小,不同厚度薄壁试样凝固组织一次枝晶间距减小,二次枝晶间距先增大后减小;相对于15mm试样,薄壁试样枝晶干处γ′相尺寸变小,枝晶间γ′相尺寸变化不大,γ/γ′共晶含量明显减少.能谱分析表明不同厚度薄板试样元素偏析程度相对于15mm试样均得到一定缓解,但各不同厚度试样元素偏析变化不大.对三种厚度薄板试样进行真空固溶热处理后发现共晶已基本消除,而15mm试样还残留少量共晶.     

定向凝固和单晶高温合金及涡轮叶片的发展

北京航空材料研究所对定向凝固及单晶高温合金及工艺进行了多年卓有成效的研究,建立了先进的定向凝固设备,发展了定向凝固工艺,研制了一系列高性能定向和单晶高温合金;对合金设计、热处理、合金元素的作用进行了分析研究,为确定合适的化学成分及选定最佳工艺参数提供了可靠的基础;进行了精密铸造工艺的研究,发展了无余量铸造技术和用于定向及单晶的陶瓷型壳和型芯,并用此发展了多种航空定向和单晶叶片,特别是研制和批生产了用于先进航空发动机的DZ22无余量具有复杂内冷通道的空心涡轮叶片。现在,其主要目标是研制无余量的单晶空心叶片及其他单晶课题。     

静磁场对定向凝固镍基高温合金组织影响的研究进展

综述了国内外静磁场对镍基高温合金组织影响的研究现状,重点分析了施加不同方式、强度的静磁场对定向凝固镍基高温合金枝晶组织、元素偏析、凝固缺陷及高温力学性能的影响规律,并从变截面处杂晶的控制、晶体取向偏离的控制以及对凝固特性的影响机制等方面提出了静磁场在定向凝固镍基高温合金研究中潜在的发展方向。     

DD6单晶精铸薄壁试样定向凝固过程数值模拟

针对单晶高温合金精铸薄壁试样制备困难的问题,建立了薄壁板形试样的有限元模型,采用ProCAST数值模拟的方法模拟DD6单晶精铸薄壁板形试样的定向凝固过程,研究了几何形状和工艺参数对定向凝固过程中温度场、温度梯度场及糊状区的影响。结果表明:薄壁板形试样中间部位工作端的温度梯度在60~65℃/cm范围内,糊状区固相线较为平直,液相线的位置在近炉壁一侧较低,远炉壁一侧较高。几何形状对单晶高温合金试样定向凝固过程有重要影响,提高浇注温度或降低抽拉速率有助于薄壁板形试样固液界面前沿液相温度梯度增大、糊状区宽度减小。单晶高温合金精铸薄壁试样定向凝固过程数值模拟结果与实际浇注结果吻合,凝固过程数值模拟为单晶精铸薄壁试样的制备提供了技术支持。     

镍基单晶高温合金的再结晶

镍基单晶高温合金作为先进发动机叶片的主要用材,其再结晶问题日益受到重视.本文综述了热处理温度、热处理时间、变形程度及合金成分等多种因素对镍基单晶高温合金再结晶的影响规律,分析了镍基单晶高温合金再结晶对其蠕变和疲劳性能的影响,并讨论了回复处理及浸蚀直接去除表面变形层、渗碳和表面涂层等控制再结晶的方法.最后,指出了镍基单晶...     

镍基单晶高温合金晶体取向的选择及其控制

镍基单晶高温合金是航空发动机和燃气轮机叶片的重要材料,该合金具有<001>的择优取向。回顾了镍基单晶高温合金晶体取向与单晶铸件高温力学性能的关系,不同取向单晶的高温拉伸性能、抗蠕变、低周疲劳等性能均明显不同。<001>方向具有较高的综合力学性能。结合作者在本领域的研究,发现不同取向的枝晶生长规律不同,<011>取向的枝晶在纵截面上枝晶干呈"V"或"W"形状,横截面上枝晶干呈直线排列,同时不同取向的枝晶间距和溶质元素偏析程度不同。总结了选晶过程中引晶段和螺旋段在单晶制备中的作用,晶体取向决定于引晶段的选晶效果,螺旋段的主要作用为确保获得单一的晶粒;分析了籽晶法单晶制备过程中晶体取向对晶体生长的影响及造成取向偏离的一些因素。展望了镍基单晶高温合金晶体取向的研究发展方向。     

高温合金定向凝固技术研究进展

首先回顾了定向凝固的发展历史,重点分析了液态金属冷却定向凝固的技术特点。总结了高温度梯度下制备的定向凝固法单晶高温合金在组织和性能方面的研究现状,结合作者在本领域的研究,着重分析了定向凝固温度梯度、凝固速率、晶体取向、熔体超温处理、熔体对流控制对组织和性能的作用规律和机制,认为高温度梯度定向凝固是细化组织、减少缺陷、提高合金性能的重要途径。最后展望了高温合金定向凝固的发展趋势。     

添加碳和硼改善第三代镍基定向凝固高温合金的显微组织和偏析行为

采用高速定向凝固法(HRS)制备了含碳(0%～0. 130%(质量分数,下同))和硼(0%～0. 014%)的高铼(5%)镍基高温合金,利用SEM和EPMA研究了碳和硼含量对合金凝固组织和显微偏析的影响。结果表明:碳和硼的添加对一次枝晶间距无明显影响;但随碳含量的增加,共晶的体积分数和平均尺寸减小,碳化物的体积分数增多;随硼含量的增加,共晶的体积分数和平均尺寸增加,碳化物的体积分数减小。在200μm/s的抽拉速率下,碳化物的形貌主要以汉字体状为主,随碳含量的增加,汉字体碳化物的平均尺寸增大,汉字体网络分布变得密集;随硼含量的增加,汉字体状碳化物有部分向片状和大片状转化。随碳含量的增加,Re和W凝固偏析呈现先加重后减轻的趋势,其峰值出现在碳含量为0. 040%处;随硼含量的增加,Re和W的凝固偏析先稍微减轻然后又加重。碳和硼对Ta的凝固偏析影响不大。