Inconel718不銹鋼板,無錫國勁合金是從事金屬原材料銷售、加工、配送、服務(wù)四位為工貿(mào)一系列的綜合型金屬企業(yè)。公司以"為世界工業(yè)裝備提供穩(wěn)定的金屬原材料"為自己的主要理念和使命，并為之孜孜不倦的奮斗。使產(chǎn)品的使用領(lǐng)域從民用，化工，汽車等少數(shù)行業(yè)擴(kuò)展到核電、電力、油氣開采與輸送、煉油、化工、造船、機(jī)械、等十多個行業(yè)。國勁致力于建造一個包括金特鋼生產(chǎn)加工、代理、直銷、配送為一體的綜合型特鋼金屬公司。是一家以現(xiàn)貨倉儲、剪切加工、銷售配送特種合金(鈦及鈦合金、鎳及鎳基合金、雙相鋼、不銹鋼、奧氏體不銹鋼及配套焊材)為主要業(yè)務(wù)的運營企業(yè)。
  國勁合金應(yīng)用于高、精、尖領(lǐng)域，是電廠脫硫脫硝、石油化工裝備、煤化工、化工、PTA、環(huán)境保護(hù)高頻電磁場產(chǎn)生的焦耳熱使合金液表面溫度上升,促使初始凝固坯殼緩慢均勻地冷卻,導(dǎo)致合金液初始凝固點下移,提高了鑄坯初始凝固過程的穩(wěn)定性,從而抑制了鑄坯表面振痕的形成。在高頻電磁場的力效應(yīng)和熱效應(yīng)共同作用下,不僅顯著減輕鑄坯表面振痕,同時還消除了鑄坯凹陷和表面裂紋。當(dāng)高頻電磁場電源功率為66kW,磁場頻率為20kHz時,得到表面光潔無缺陷的連鑄坯,且表面振痕由常規(guī)連鑄條件下的0.75mm減小至0.18mm;當(dāng)電源功率增加至100kW時,過高的電源功率使結(jié)晶器切縫處和相鄰分瓣體處所受電磁壓力不同,導(dǎo)致兩個相鄰分瓣體之間的初始凝固點呈波浪狀分布,從而形成了較深的波浪狀振痕,使表面振痕深度由0.18mm增加至0.32mm。Inconel合金：Inconel625、Inconel625LCF、Inconel690、Inconel600、Inconel601,Inconel617、Inconel686、Inconel718
在Incoloy800H合金方坯復(fù)合電磁連鑄過程中,施加電磁攪拌不僅提高了鑄坯內(nèi)等軸晶比率,使其增加至41.45%,并使晶粒組織由10.83mm細(xì)化至1.28mm,還減輕了元素的枝晶偏析,消除了中心疏松、縮孔和內(nèi)部裂紋。同時,施加電磁攪拌對Incoloy800H合金凝固組織中的TiN分布產(chǎn)生顯著影響,使鑄坯內(nèi)大尺寸TiN的數(shù)量由常規(guī)連鑄坯中心處的3.71×10-4個/μm2減少至1.59×10-4個/μm2,且減少了TiN在枝晶間的析出。
在常規(guī)Incoloy800H合金連鑄坯中的內(nèi)部裂紋斷口與主裂紋面上存在大量的大尺寸塊狀TiN、TiN團(tuán)簇和條帶狀TiN夾雜物。分析表明三種TiN夾雜物在與基體交界面處產(chǎn)生應(yīng)力集中而促進(jìn)了裂紋的萌生和擴(kuò)展,同時也會在應(yīng)力作用下自身開裂而形成裂紋源。而且部分TiN團(tuán)簇聚集于枝晶間,阻塞了液態(tài)金屬的補(bǔ)縮通道,導(dǎo)致TiN團(tuán)簇區(qū)域形成縮孔或裂紋。施加電磁攪拌以后,使鑄坯內(nèi)大尺寸TiN數(shù)量、枝晶間的TiN和TiN團(tuán)簇明顯減少,降低了裂紋萌生的機(jī)率。
與此同時,施加電磁攪拌使得合金液內(nèi)溫度分布趨于均勻,細(xì)化了晶粒組織,并促進(jìn)了凝固組織和合金元素的均質(zhì)化,減小了鑄坯內(nèi)的熱應(yīng)力,有助于消除Incoloy800H合金連鑄坯中的內(nèi)部裂紋。微束等離子弧焊方法因其能量密度高,小電流下穩(wěn)定性高、對工件熱影響小等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于石油化工及航空航天零部件的再制造修復(fù)。渦輪發(fā)動機(jī)葉片葉尖、內(nèi)燃機(jī)氣門錐面等零件容易因其苛刻的工作環(huán)境產(chǎn)生高溫氧化、磨損、腐蝕失效。本研究的主要目的是解決此類零件的失效再制造修復(fù)問題,研究微束等離子弧再制造修復(fù)工藝,優(yōu)化鎳基修復(fù)層的組織和性能（抗氧化性、耐磨損性）。
本研究利用有限元模擬方法,模擬了薄板上微束等離子弧焊制備鎳基修復(fù)層的焊接溫度場。結(jié)果表明,平面高斯熱源和雙橢球熱源組成的復(fù)合熱源模型,可以合理的反映微束等離子弧熔覆鎳基修復(fù)層過程中的熱輸入狀態(tài)。修復(fù)層結(jié)晶過程中受到熱循環(huán)的影響,使熔合線附近主要為垂直生長的柱狀晶;修復(fù)層中心析出物較粗大,形態(tài)多樣;上層有較多針狀組織。研究了微束等離子弧熔覆Ni60修復(fù)層的組織性能,結(jié)果表明:顯微組織包括γ-Ni基體,晶間低熔點共晶物Ni4B3、Ni3Si2和析出相:硼鉻化合物Cr2B和碳鉻化合物Cr23C6、Cr7C3、Cr2C。
Ni基修復(fù)層中心的平均硬度為580HV0.2。為提高修復(fù)層的抗氧化性能和耐磨損性能,本課題采用機(jī)械合金化方法在鎳基合金粉末中添加了稀土氧化物Y2O3彌散質(zhì)點,得到經(jīng)稀土氧化物強(qiáng)化的修復(fù)層,研究了稀土氧化物Y2O3對修復(fù)層焊接性、顯微組織、顯微硬度、抗高溫氧化性和耐磨損性能的影響,結(jié)果表明:稀土氧化物Y2O3可以改變鎳基修復(fù)層的焊接性及修復(fù)層成型參數(shù)（堆高、熔寬、熔池金屬與基體的潤濕角）,修復(fù)層的宏觀成型質(zhì)量在Y2O3含量為1%時-好,適量稀土氧化物顆粒的添加可以使修復(fù)層中的碳鉻、硼鉻析出相尺寸減小,分布密度增大,組織顯微硬度增加。
在Y2O3含量≤1%時,隨Y2O3含量的增加,常溫干摩擦條件下鎳基修復(fù)層耐磨性增加,在700℃下,修復(fù)層氧化膜生長速率降低,抗氧化性增加。添加1%含量的Y2O3可以得到組織、綜合性能-佳的鎳基修復(fù)層。Inconel625有著高耐腐蝕性、高溫穩(wěn)定性好等優(yōu)點,將Inconel625在鋼管內(nèi)壁進(jìn)行堆焊,使其形成一個內(nèi)壁保護(hù)層成為雙金屬復(fù)合管,是一種獲得兼有強(qiáng)度硬度與耐腐蝕性及成本較低的油氣運輸管道的加工方法。
而CMT焊接具有波形可控,小電流短路過渡的特點,可以降低件基體的焊接熱輸入,有效改善堆焊中的稀釋率問題。因此研究CMT堆焊Inconel625的焊接過程并優(yōu)化焊接工藝,對于CMT焊接在鎳基合金堆焊中的應(yīng)用,具有一定的理論意義和實際應(yīng)用價值。首先本文對Inconel625材料CMT堆焊過程進(jìn)行了分析,得到了Inconel625材料CMT堆焊波形控制特點;研究了焊接送絲速度對CMT焊接穩(wěn)定性的影響,研究發(fā)現(xiàn),隨著送絲速度的增大CMT焊接的穩(wěn)定性逐漸降;當(dāng)送絲速度不超過9m/min時,焊接過程穩(wěn)定,表面成形良好;而當(dāng)送絲速度超過9m/min時,開始出現(xiàn)短路過渡與滴狀過渡夾雜的混合過渡形式,焊接過程產(chǎn)生飛濺。
其次,進(jìn)行了單道焊接工藝參數(shù)與成形實驗研究。通過單因素實驗確定了焊接參數(shù)變量及參數(shù)合理可變區(qū)間;通過全因素實驗研究了各CMT焊接參數(shù)對焊縫成形的影響規(guī)律,據(jù)實驗結(jié)果,進(jìn)行了統(tǒng)計分析,以送絲速度（X1）、焊接速度（X2）和焊絲傾角（X3）為因子,建立了稀釋率的線性回歸方程為:Y=-9.98+2.59X1-0.0497X2-0.0341X3。控制變量總結(jié)了熱輸入對CMT堆焊層組織及性能的影響,其中堆焊層主要由枝狀晶組成,靠近焊縫表面有少量等軸晶,隨著熱輸入的增大,等軸晶區(qū)域越大,母材過熱區(qū)的硬度略微降低。
-后綜合分析稀釋率、焊縫寬度、潤濕角等情況,選取單道焊接試驗中送絲速度7m/min、焊接速度50cm/min、焊絲傾角15°的焊接參數(shù)組合進(jìn)行多道焊接試驗。結(jié)果表明,在道間距為5mm進(jìn)行多道堆焊時,CMT堆焊成形較為良好;更高或更低的道間距會出現(xiàn)搭接量過大、過小或道間未熔合現(xiàn)象。電化學(xué)實驗結(jié)果表明,所有堆焊層試樣在鈍化區(qū)未發(fā)生破鈍現(xiàn)象,抗點蝕能力較強(qiáng);堆焊層熔敷金屬的耐蝕性隨著堆焊層厚度的增加而增強(qiáng),但整體上堆焊層各處耐蝕性差異性不大。
快速發(fā)展的玻璃制品行業(yè),對于使用銅合金制造的玻璃成型模具,特別是成型模具的型腔表面,提出了更加嚴(yán)格的要求。鎳鉻硼硅系自熔合金粉末,獲得的表面涂層具有高耐磨性能、高溫抗氧化性能和耐腐蝕性能,是一種理想的表面涂層耐磨合金粉末,目前已經(jīng)應(yīng)用在各類零件的表面處理中。等離子噴焊技術(shù),具有較低的稀釋率和良好的冶金結(jié)合性能。因此,采用等離子噴焊技術(shù)制備鎳基合金涂層是提高玻璃模具型腔耐磨性能的理想手段。本文在一種鑄造銅合金玻璃模具表面,使用等離子噴焊鎳基自熔合金粉末,通過優(yōu)化其噴焊工藝參數(shù),改善噴焊層的性能。
同時,采用光學(xué)顯微鏡、維氏顯微硬度儀、X射線衍射儀、配置能譜儀的掃描電子顯微鏡、摩擦磨損試驗機(jī)等研究等離子噴焊工藝參數(shù),噴焊層的顯微組織、噴焊層的物相組成以及分布、噴焊層的顯微硬度以及噴焊層的耐磨性能。研究結(jié)果表明,等離子噴焊工藝參數(shù)優(yōu)化后,可以獲得3-5mm無缺陷的等離子噴焊層。等離子噴焊層由γ-Ni固溶體和Cr7C3、SiNi3、FeNi3化合物析出組成。噴焊層底部顯微呈細(xì)小的等軸晶,噴焊層中部呈枝狀晶形貌,噴焊層表面呈相對較大的等軸晶體。
等離子噴焊層的平均顯微硬度達(dá)到335HV0.3,較基體的230HV,提高了約45.7%;熔合區(qū)寬度大約0.5mm,等離子噴焊層在5N試驗載荷下,磨損率由基體的37.35mm3N-1m-1降低到2.68-7.68×10-6mm3N-1m-1,在10N試驗載荷下由基體的98.53×10-6mm3N-1m-1降低到7.58-6.30×10-6mm3N-1m-1,模具的耐磨性有較大的提高。通過上述研究,實現(xiàn)了對現(xiàn)有銅合金玻璃模具表面等離子噴焊鎳基自熔合金工藝的優(yōu)化,提高了玻璃模具型腔的綜合力學(xué)性能,從而改善玻璃模具質(zhì)量和壽命等,滿足了企業(yè)的生產(chǎn)和設(shè)計要求。
Inconel718不銹鋼板,激光增材制造是一種新型的激光快速成形技術(shù),利用高能激光束熔化金屬粉末,按照化整為零的思路,逐層堆積制造,直接制備一定形狀的零部件。鎳基合金具有優(yōu)異的性能,在航空航天、石油化工等眾多領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。本文注重將激光增材制造技術(shù)引入多孔鎳基合金的制備。以司立太公司的Deloro40鎳基合金粉末為實驗材料,在激光設(shè)備上進(jìn)行激光增材制造。首先對激光增材制造的工藝進(jìn)行實驗研究,通過單層單道、單層多道、多層多道的工藝實驗,研究相關(guān)激光參數(shù)(激光功率、脈沖寬度、激光頻率和掃描間距等)對Deloro40鎳基合金粉末成形性的影響規(guī)律,為成功制備多孔鎳基合金奠定基礎(chǔ)。
在成功制備多孔成形件后,測量實際的孔隙率,并研究以上所列激光工藝參數(shù)對多孔成形件的孔隙率的影響規(guī)律。利用金相顯微鏡和X射線衍射分析獲得多孔鎳基合金結(jié)構(gòu)的顯微組織和物相成分。利用顯微硬度計測量多孔鎳基合金成形件的顯微硬度。使用電子*實驗機(jī)對多孔鎳基合金的力學(xué)性能進(jìn)行分析。激光增材制造工藝研究結(jié)果表明:激光掃描線寬隨激光功率、脈沖寬度和激光頻率的增大而增大,并-終穩(wěn)定于某一值;過大或過小的工藝參數(shù)對制備多孔成形件都不利。
Deloro40鎳基合金粉末激光增材制造優(yōu)化工藝參數(shù)組合為:激光功率110W到130W,脈沖寬度2.0ms到4.0ms,激光頻率10Hz到15Hz,掃描間距0.6mm到0.8mm,在此優(yōu)化工藝參數(shù)組合下的激光增材制造成形件表面基本平整,成形性良好。基于上面工藝參數(shù)制備所得的多孔鎳基合金成形件的孔隙率為12%到32%。觀察多孔成形件的縱截面發(fā)現(xiàn):由于激光作用熱影響區(qū)的存在,導(dǎo)致*熔化或者半熔化狀態(tài)的鎳基合金粉末顆粒依附于預(yù)留孔壁內(nèi)側(cè),-終成型件的實際孔隙率小于預(yù)設(shè)的孔隙率。
顯微組織研究表明:Deloro40多孔鎳基合金的顯微組織主要是由枝晶組成,枝晶主要沿著堆積層的方向生長,在激光熔覆重熔區(qū)存在一定量的等軸晶。由于激光增材制造多孔成形件晶粒細(xì)小以及成形件中硬質(zhì)相的存在,所以多孔鎳基合金的顯微硬度達(dá)到HV570。多孔鎳基合金成形件的壓縮性能與孔隙率相關(guān),孔隙率越低,多孔成形件的抗壓強(qiáng)度越高。多孔鎳基合金的壓縮斷口顯示脆性斷裂特征。針對多孔鎳基合金在激光增材制造中常見的缺陷“裂紋”、“球化現(xiàn)象”和“翹曲現(xiàn)象”,研究其形成機(jī)理,并對減少以上缺陷的方法進(jìn)行了探索。
隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展對材料的要求越來越高,為了滿足各種各樣苛刻的使用條件,各種新型材料的研究和開發(fā)得到了*的重視進(jìn)行了切削力預(yù)報及切削動力學(xué)研究。在鎳基高溫合金薄壁零件加工過程中考慮其動態(tài)特性的時變性,建立側(cè)銑加工時滯動力學(xué)模型,提出輻角穩(wěn)定性判別法,實際加工效果表明,采用此方法獲得的穩(wěn)定切削參數(shù)域具有一定的實用性,并與傳統(tǒng)二維Lobe圖穩(wěn)定性判別法相比較,一致性好,并且簡單實用,易于工程化。通過綜合考慮鎳基高溫合金復(fù)雜薄壁零件的制造關(guān)鍵問題,采用理論分析、切削仿真和切削試驗相結(jié)合的方法,在鎳基高溫合金復(fù)雜薄壁零件加工切屑形成特征、*磨損機(jī)理、*運動設(shè)計及穩(wěn)定性極限預(yù)測方面進(jìn)行研究。
研究可為鎳基高溫合金復(fù)雜薄壁零件的切削加工技術(shù)推廣及應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。在40Cr基體表面利用氬弧熔覆技術(shù)制備了鎳基合金粉末熔覆涂層。首先研究了熔覆電流、熔覆速度和氬氣流量對熔覆涂層的影響,確定-佳的熔覆工藝。為了進(jìn)一步改善涂層性能,通過在鎳基合金涂層中加入C,原位生成WC/Cr7C3增強(qiáng)相;-后在-佳含C量的基礎(chǔ)上加入B4C,以達(dá)到復(fù)合增強(qiáng)的效果,對不同條件下制備的熔覆涂層的組織形貌、硬度、耐磨及耐蝕性能進(jìn)行了研究。
實驗結(jié)果表明:當(dāng)熔覆電流過大或熔覆速度過小時,熔覆層焊透或不能成形良好;但熔覆電流過小或熔覆速度過快,使熔覆層的厚度變小,熔覆寬度變窄,甚至不能得到完整的熔覆涂層;適當(dāng)降低熔覆電流及提高熔覆速度,可有效細(xì)化熔覆層的顯微組織;當(dāng)熔覆電流為180A,熔覆速度為75mm/min,氬氣流量為6L/min時熔覆涂層表面形貌-佳。物相分析表明熔覆涂層主要有鎳基固溶體、原位生成的碳化物等相,隨著C含量的增加,熔覆涂層的硬度和耐磨性都是先增加后降低,在C含量為5%時,熔覆層的硬度和耐磨性能相對較好,涂層的耐蝕性相對較好;B4C的加入可以使晶粒細(xì)化和第二相均勻分布,當(dāng)B4C含量為5%時,涂層表面硬度較高,成形性-佳,涂層表面耐磨性和耐蝕性能-好,當(dāng)B4C含量超過5%時,熔覆涂層質(zhì)量下降,成形性差,硬度增長趨勢不明顯,耐蝕性降低。
鎳基單晶高溫合金具備優(yōu)異的高溫性能,主要應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)和工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)的渦輪葉片。單晶高溫合金在服役過程中的低周疲勞斷裂具有產(chǎn)生*的危害性,因此對其疲勞性能的研究尤為重要。同時,單晶合金具有各向異性,晶體取向是影響疲勞性能的一個重要因素。因此,本文以一種3Re的第二代鎳基單晶高溫合金為研究對象,研究了[001]、[011]和[111]三種取向合金在980℃的低周疲勞行為,采用掃描電鏡(SEM)和透射電鏡(TEM)等手段,觀察斷口、變形后的微觀組織以及微觀位錯組態(tài),分析合金的低周疲勞斷裂機(jī)制與變形機(jī)制。
合金三種取向的疲勞行為研究表明:在980℃總應(yīng)變幅控制的低周疲勞實驗中,[001]、[011]和[111]三個取向的低周疲勞壽命均隨著總應(yīng)變幅的增大而降低。疲勞壽命具有取向依賴性,這主要與彈性模量的差異有關(guān)。其中[001]取向彈性模量-小,疲勞壽命-長,[111]取向彈性模量-大,疲勞壽命-短。對合金三種取向疲勞斷裂機(jī)制的研究表明:三種取向的裂紋從表面或亞表面鑄造缺陷或表面氧化處萌生,主要沿非晶體學(xué)平面擴(kuò)展,而[111]取向部分試樣沿晶體學(xué)平面擴(kuò)展,循環(huán)塑性變形是主要的疲勞損傷機(jī)制。
在瞬斷區(qū),還伴隨一定程度的蠕變損傷。對于斷裂后的試樣,[001]取向斷口幾乎與應(yīng)力軸垂直,γ’相沿著與應(yīng)力軸垂直的方向形筏,易在不同滑移平面上發(fā)生多系滑移;[011]取向斷口不平整,γ’相沿與應(yīng)力軸45°的方向形筏,易開動同一族的滑移系;[111]取向斷口-為凹凸不平,沒有明顯的形筏方向,易發(fā)生多系滑移以及不同族滑移系間的交滑移。對于[001]和[011]取向合金,二次裂紋易沿形筏方向擴(kuò)展,而[111]取向合金,易在裂紋擴(kuò)展平面相交的界面處形成二次裂紋,并沿某一擴(kuò)展平面擴(kuò)展。
觀察位錯組態(tài)變化的結(jié)果表明:合金的三種取向在應(yīng)變幅較高時,循環(huán)起始階段都表現(xiàn)出初始循環(huán)軟化的特征。但當(dāng)應(yīng)變幅較低時,[001]取向中位錯不均勻地分布在與應(yīng)力軸垂直的γ通道中,通過交滑移和攀移的方式運動,由位錯湮沒和重排引起的位錯回復(fù)過程以及γ’相的粗化起主要作用,使其表現(xiàn)出初期的循環(huán)軟化特征;[011]取向位錯滑移主要集中在屋頂通道,γ通道中大量的平行位錯帶,降低位錯相互作用的幾率,阻礙位錯運動,表現(xiàn)出初期的循環(huán)硬化特征;[111]取向位錯密度增大且分布均勻,位錯線排列不規(guī)則,γ通道中有大量位錯纏結(jié),增大位錯運動的阻力,表現(xiàn)出初期的循環(huán)硬化趨勢。
鎳基高溫合金GH4133B作為航空發(fā)動機(jī)渦輪盤主要材料,其具有*的持久性和疲勞性能。本文以鎳基合金GH4133B為研究對象,在常溫下條件下開展疲勞長裂紋擴(kuò)展試驗,利用有限元軟件ABAQUS計算標(biāo)準(zhǔn)CT試件的裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子,運用擴(kuò)展有限元技術(shù)模擬疲勞裂紋的擴(kuò)展過程。開展GH4133B合金疲勞長裂紋擴(kuò)展實驗。對不同應(yīng)力比的GH4133B合金標(biāo)準(zhǔn)CT試樣進(jìn)行疲勞裂紋擴(kuò)展實驗,借助OLYMPUSBX51M顯微鏡,對裂紋進(jìn)行追蹤攝像,獲得一定循環(huán)周次下的疲勞裂紋擴(kuò)展長度。
在疲勞裂紋擴(kuò)展長度和循環(huán)次數(shù)關(guān)系基礎(chǔ)上,利用近似導(dǎo)數(shù)的方法得到疲勞裂紋擴(kuò)展速率。利用理論公式獲得各個裂紋擴(kuò)展長度下的相對能量釋放率,結(jié)合Paris公式擬合疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線,獲得相應(yīng)的疲勞裂紋擴(kuò)展速率函數(shù)。利用Paris公式推導(dǎo)出標(biāo)準(zhǔn)CT試樣剩余疲勞壽命的估算公式,結(jié)合擬合獲得的參數(shù)C和m,利用辛普森積分計算1~16號試樣的剩余疲勞壽命。結(jié)果表明,理論剩余壽命與試驗剩余壽命誤差較小,可以運用理論剩余壽命預(yù)測方程對材料的剩余壽命進(jìn)行預(yù)測。
在此基礎(chǔ)上與實驗進(jìn)行對比,修正剩余壽命估算公式。結(jié)果表明,修正公式能更加準(zhǔn)確的對剩余壽命進(jìn)行預(yù)測。利用有限元分析軟件ABAQUS擴(kuò)展有限元計算功能,建立CT試件有限元模型,計算不同裂紋長度下的應(yīng)力強(qiáng)度因子。利用實驗獲得的疲勞裂紋擴(kuò)展Paris公式參數(shù),在ABAQUS中建立疲勞損傷準(zhǔn)則,模擬不同應(yīng)力比下的疲勞裂紋擴(kuò)展行為。對比疲勞裂紋擴(kuò)展實驗壽命、理論壽命和模擬壽命,壽命誤差在可接受范圍內(nèi),說明了疲勞裂紋擴(kuò)展數(shù)值模擬的有效性。
本文對鎳基高溫合金GH4133B進(jìn)行了疲勞裂紋擴(kuò)展試驗,并與有限元分析結(jié)果進(jìn)行對比。利用擴(kuò)展有限元方法分析CT試件疲勞行為的方法,可以用于材料疲勞實驗的預(yù)演,對疲勞實驗開展起一定的指導(dǎo)作用。在此基礎(chǔ)上改進(jìn)可以使各種構(gòu)件的疲勞行為模擬成為可能,為工程設(shè)計分析提供新的思路。高溫合金由于其優(yōu)良的力學(xué)性能被廣泛的應(yīng)用于航空、航天、艦船、車輛、工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)及其他工業(yè)部門。高溫合金通常被用來制造航空發(fā)動機(jī)、航天飛機(jī)主發(fā)動機(jī)、柴油機(jī)和內(nèi)燃機(jī)增壓渦輪、煙氣輪機(jī)、冶金軋鋼加熱爐墊塊、內(nèi)燃機(jī)排氣閥座等需承受疲勞載荷的熱端部件。
本文以應(yīng)用-為廣泛的鎳基高溫合金為研究對象,分析了各種因素影響下的恒幅載荷疲勞裂紋擴(kuò)展實驗得到的相關(guān)數(shù)據(jù)。對于疲勞裂紋擴(kuò)展速率da/dN與應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍ΔK的關(guān)系,國內(nèi)外的研究人員提出了許多相關(guān)的模型。本文采用了應(yīng)用廣泛的Paris公式、Walker公式和修正Paris公式,針對20余種鎳基高溫合金的疲勞裂紋擴(kuò)展試驗數(shù)據(jù),進(jìn)行合金疲勞裂紋擴(kuò)展理論與模型應(yīng)用研究。主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下:1.本文首先簡明介紹金屬疲勞裂紋擴(kuò)展問題的研究背景、研究歷程以及當(dāng)下研究與發(fā)展鎳基高溫合金的狀況,接著對疲勞裂紋擴(kuò)展模型研究的進(jìn)展、疲勞裂紋擴(kuò)展理論與數(shù)值模擬的研究進(jìn)展做了概述。
2.本文廣泛采集不同溫度、應(yīng)力比、加載頻率、環(huán)境因素和試件幾何尺寸等實驗條件下鎳基高溫合金疲勞裂紋擴(kuò)展試驗數(shù)據(jù)。關(guān)于試驗數(shù)據(jù)的對比研究表明,服役溫度對高溫合金疲勞裂紋擴(kuò)展速率da/dN數(shù)值影響-大,一般高溫可以使鎳基高溫合金的da/dN數(shù)值提高一個數(shù)量級;應(yīng)力比、加載頻率、環(huán)境因素對da/dN數(shù)值影響也比較明顯,而試件厚度及其他幾何尺寸因素對da/dN數(shù)值影響相對難以觀察到。在所研究鎳含量范圍之內(nèi)的鎳基高溫合金,鎳含量的變化對鎳基高溫合金疲勞裂紋擴(kuò)展速率da/dN數(shù)值無顯著影響,而合金熱處理工藝對其有顯著影響。
3.分別利用Paris公式、Walker公式和修正Paris公式,對鎳基高溫合金疲勞裂紋擴(kuò)展試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析,結(jié)果表明對應(yīng)不同溫度、應(yīng)力比、加載頻率、環(huán)境因素和試件幾何尺寸,疲勞裂紋擴(kuò)展模型中的材料常數(shù)在一定范圍內(nèi)變化。并且,這些變化在不同的影響因素的作用下有各自的規(guī)律。疲勞裂紋擴(kuò)展理論模型的選取,對于材料常數(shù)的影響不大,但對于理論疲勞裂紋擴(kuò)展速率數(shù)值有較大影響。并且,在利用Paris公式進(jìn)行分析時,采用不同的數(shù)值方法對材料常數(shù)的取值有較大影響。
4.模型理論計算與試驗數(shù)據(jù)的比較表明,Paris公式擬合精度與試驗數(shù)據(jù)本身的離散性相關(guān);Walker公式適用于描述鎳基高溫合金的疲勞裂紋擴(kuò)展行為,且Walker公式中的三個材料參數(shù)的取值在一定范圍之內(nèi),溫度對材料參數(shù)的影響有一定規(guī)律可循;本文所采用的修正Paris公式,對于高溫條件下的鎳基高溫合金,在低應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍區(qū)的疲勞裂紋擴(kuò)展速率預(yù)測具有很高精度,而在高應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍區(qū)其理論預(yù)測值偏低。通過總結(jié)各個模型的研究,本文提出的統(tǒng)一Paris修正公式可以在有較多實驗樣本的情況下,比較精確的預(yù)測鎳基高溫合金疲勞裂紋擴(kuò)展行為。
鎳基單晶高溫合金在高溫下具有優(yōu)良的綜合性能,是航空發(fā)動機(jī)渦輪葉片的主要材料,對于單晶復(fù)雜葉片的制造,單憑鑄造技術(shù)變得相當(dāng)困難,必然涉及到單晶材料的連接問題,目前常用的連接方法是高溫釬焊和瞬間液相擴(kuò)散焊(TLP擴(kuò)散焊)。釬焊所得接頭性能、很難滿足航空工業(yè)對于更高性能的要求;TLP連接接頭中降熔元素殘留影響其高溫性能。為了得到性能更好的接頭,提出了過渡液相輔助固相連接復(fù)合技術(shù),母材液化的規(guī)律是該技術(shù)實現(xiàn)的前提。
本文選用BNi9、BNi5兩種不同的中間層,對DD407鎳基單晶高溫合金進(jìn)行過渡液相擴(kuò)散連接。通過研究不同工藝參數(shù)條件下的母材液化區(qū)橫截面形貌特征,分析工藝參數(shù)對液化區(qū)寬度的影響;同時研究了不同工藝條件下的界面組織特征及成分分布情況;通過對比分析上述兩種中間層對母材的液化效果,綜合分析了母材液化規(guī)律。采用BNi9中間層合金TLP擴(kuò)散連接DD407鎳基單晶高溫合金。結(jié)果表明,母材液化寬度隨著加熱溫度的升高而增加,母材液化寬度在1150℃達(dá)到-大值60.7μm,過高的加熱溫度使得液相很快等溫凝固;保溫時間的增加使母材液化寬度增加,保溫1min時,母材液化程度-大;中間層合金厚度越大,母材的液化寬度越大,與加熱溫度和保溫時間相比,中間層合金厚度對母材液化寬度的影響相對較小。
界面的組織主要由反應(yīng)液化層和中間層固溶體組成。BNi5中間層合金連接DD407鎳基單晶高溫合金,工藝參數(shù)對母材表面液化規(guī)律如下:溫度升高會促進(jìn)母材液化,溫度升高到1160℃時,母材液化寬度為28.5μm,母材向中間層合金液化界面平整;母材液化寬度隨中間層厚度增加而增大,中間層厚度150μm時,母材液化寬度達(dá)到-大值55.5μm。對比分析兩種中間層材料對母材表面液化的影響,發(fā)現(xiàn)BNi9對母材的液化效果優(yōu)于BNi5,前者具有明顯的界面反應(yīng)層,后者具有明顯的強(qiáng)化相殘留區(qū)。
BNi9的液化機(jī)制是通過降熔元素B向母材擴(kuò)散,擴(kuò)散區(qū)的熔點降低而使得母材液化。而BNi5的液化機(jī)制則是中間層中的共晶元素Si與母材相互作用,形成低熔共晶,使得母材液化。綜合分析DD407鎳基單晶表面液化的規(guī)律,歸納其影響因素主要有:降熔元素的種類、加熱溫度、保溫時間、中間層材料的量,等等。K438鎳基高溫合金精鑄件在鑄造和使用過程中易出現(xiàn)缺陷,需要修復(fù)的問題,以Ni60粉末作為修復(fù)填充材料,采用激光熔覆的方式對K438鎳基高溫合金進(jìn)行補(bǔ)焊修復(fù),分別對單道、單層多道以及多層多道激光熔覆修復(fù)進(jìn)行了工藝研究,并針對該合金在激光熔覆修復(fù)中的宏觀形貌、顯微組織及力學(xué)性能進(jìn)行了分析。
采用光學(xué)金相顯微鏡(OM)、掃描電子顯微鏡(SEM)、X射線衍射儀(XRD)以及能譜儀(EDS)等分析測試手段觀察了工藝條件發(fā)生變化時激光熔覆修復(fù)組織的凝固特征,并對其顯微硬度、微區(qū)殘余應(yīng)力以及磨損性能等力學(xué)性能進(jìn)行測試,探討了其磨損機(jī)理。工藝試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn),提高激光功率,降低掃描速率或者降低粉末供給速度,都有助于提高熔覆層的熔深、熔寬和接觸角,降低熔高。粉末供給速度與熔深和熔寬的關(guān)系不大,熔覆時過大或過小的掃描間距都會使表面不平整。
熱輸入與熔覆層出現(xiàn)裂紋的關(guān)系較大,激光功率偏大、掃描速率或粉末供給速度偏小以及掃描間距偏小,都會造成熱輸入的偏大,從而令熔覆層出現(xiàn)裂紋。掃描路徑與熔覆層質(zhì)量的關(guān)系不大。得到較好的熔覆修復(fù)參數(shù):功率P=1200W,掃描速度VS=5mm/s,粉末供給速度VF=0.7g/s,掃描間距DS=1.8mm,此參數(shù)下可以獲得成形良好,無缺陷的熔覆修復(fù)組織。顯微組織分析表明,溫度梯度G和熔池凝固速率R對熔覆層的結(jié)晶形態(tài)有較密切的關(guān)系,從與底部交界處到表面,G/R的值減小,組織依次由柱狀晶轉(zhuǎn)化為等軸晶。
熱輸入與K438合金的開裂的關(guān)系密切,合金中的裂紋為液化裂紋,主要原因是由于MC碳化物、γ-γ’共晶以及γ’沉淀相等低熔共晶物在晶界的液化。力學(xué)性能研究表明,修復(fù)組織的硬度相較于基材有較大提高,減小熱輸入有利于顯微硬度的提高。道間搭接部分殘余應(yīng)力較高,可達(dá)500MPa左右,而道內(nèi)未搭接部分殘余應(yīng)力較低,只有大約50~200MPa。K438鎳基高溫合金基材的磨損方式包括磨粒磨損、粘著磨損和氧化磨損三種磨損方式同時存在,熔覆層的磨損類型主要為粘著磨損。
熔覆層的耐磨性與平均顯微硬度有著*的相關(guān)性,熔覆層的抗磨損能力相較于K438基材有了顯著提高,提高掃描間距,會使其平均摩擦系數(shù)提高,從而使磨損率有一定的上升。鎳基單晶高溫合金具有優(yōu)良的高溫力學(xué)性能,是航空發(fā)動機(jī)渦輪葉片的主要材料。隨著飛機(jī)渦輪葉片冷卻形式的發(fā)展,空心型腔越來越復(fù)雜,單憑鑄造技術(shù)很難實現(xiàn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜葉片的制造,采用兩半對開或組合式空心葉片是解決脫芯難題的*方案,其制備過程必然涉及到材料的連接問題。
本文采用厚度為20μm的非晶箔狀BNi9作為中間層,對厚度為10mm的DD407鎳基單晶進(jìn)行TLP連接。研究無壓和壓力作用下工藝參數(shù)對鎳基單晶TLP連接接頭組織及性能的影響,通過金相組織觀察和能譜測試,詳細(xì)分析了無壓和壓力作用下接頭形貌及各元素分布。并對壓力作用下,焊縫中心和焊縫邊緣接頭形貌及焊接溫度和保溫時間對接頭組織性能的影響進(jìn)行了分析。通過對比不同壓力作用下,接頭組織性能及元素擴(kuò)散,進(jìn)一步探索了壓力在TLP中作用機(jī)制。
研究結(jié)果表明:無壓作用下,接頭抗拉強(qiáng)度隨著焊接溫度升高先增大后減小