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7_casting_shanghai university_单晶高温合金定向凝固中螺旋选晶器选晶过程的模拟

7_casting_shanghai university_单晶高温合金定向凝固中螺旋选晶器选晶过程的模拟
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单晶高温合金定向凝固中螺旋选晶器选晶过程的模拟

刘春涛1,李响妹1,王波1,2,任忠鸣1,张捷宇1

(1. 上海大学上海市现代冶金与材料制备重点实验室上海200072;2. 内蒙古科技大学材料与冶金学院包头014010)

摘要:采用宏观模型ProCAST和介观元胞自动机有限元模型(CAFE)研究了启晶器几何结构和螺旋选晶器在启晶器不同位置上对定向凝固过程中组织演变和取向偏差变化的影响。通过研究发现:启晶器高度越高,能优化晶粒的取向偏差,而最终单晶的取向偏差由进入选晶器的晶粒分布和选晶器选晶决定;启晶器直径变化时,启晶器部分的平均取向偏差相差1o左右,但晶粒分布比较随机,影响进入选晶器中的晶粒分布;螺旋选晶器在启晶器不同位置上对晶粒分布影响很大,最终影响得到单晶的取向和高度。

关键词:定向凝固;取向偏差;模拟;选晶

1 前言

单晶高温合金在现代航空发动机、航天发动机和燃气涡轮热端部件中有重要应用,由于它消除了所有晶界从而去除了易产生的裂纹源,因此具有良好的持久寿命、低的蠕变速率和好的抗热疲劳性能[1]。实际生产过程中单晶涡轮叶片由镍基合金制成,通过螺旋选晶器在定向凝固下铸造单晶[2]。由于界面张力的各向异性,致使单晶高温合金生长中产生择优取向,多数面心立方的镍基高温合金以<001>为生长最快的择优方向。单晶高温合金的性能是各向异性的,在单晶叶片的制备中要求具有最小弹性模量方向的<001>与最大载荷方向一致,以减少热循环应力。同时,与<011>或<111>晶粒相比较,<001>晶粒具有更高的高温蠕变性能。因此,控制单晶的取向偏差尽可能接近<001>方向是非常重要的。

近年来,数值模拟应用到预测组织演变和取向偏差变化的报道越来越多,Dong[3]提出了晶粒取向的选择和生产单晶叶片的技术。Carter[4]等描述了熔模铸造中传热的热分析模型和枝晶生长的元胞自动机模型。Dai[5-7]等用宏观模型ProCAST和介观元胞自动机有限元模型(CAFE)系统的从螺旋形状来分析了选晶器中的晶粒竞争生长和选晶,研究表明小的螺旋厚度(d T),大的螺旋直径(d S)和小的螺旋角θ能提高螺旋选晶器选晶的效率和节约铸造的成本,但即便在螺旋中选晶,也不能使得晶粒取向优化。Sec[8]等阐明了定向凝固中螺旋选晶器中单晶组织的转变,研究表明目前用CAFE模型能很好的预测全部晶粒结构和晶体结构演变及最后选择一个单晶的位置。Epishin[9]等用EBSD和X衍射系统的分析了晶粒竞争生长中单晶结构的形成机制,总结了单晶选晶器中柱状晶的竞争生长过程。然而采用数值模拟系统的从启晶器几何结构和螺旋选晶器在启晶器不同位置上对选晶过程影响的研究还较少。

本文着重从启晶器的几何结构和螺旋选晶器在启晶器不同位置上来研究定向凝固中螺旋选晶器的选晶过程。采用宏观模型ProCAST和介观元胞自动机有限元模型(CAFE)模拟了多组启晶器几何结构和螺旋选晶器在启晶器的不同位置。分析了定向凝固过程中螺旋选晶器的组织演变和取向偏差的变化,以及得到最终单晶的取向。

2模型描述及模拟

本研究的模型如图1所示,螺旋选晶器的参数包括螺距Lp,螺旋直径ds,螺旋厚度dr,启晶器直径d B,启晶器高度H。根据Dai[5-7]等人对选晶器几何结构系统的研究结果,选取螺距Lp为10 mm,螺旋直径ds为15 mm,螺旋厚度dr为5 mm。本研究主要考察启晶器尺寸和选晶器在启晶器不同位置上对选晶过程中组织演变和平均取向偏差的影响(如表1)。

本研究中,例1~5为启晶器高度H的变化,例6~10为启晶器直径d B的变化,例11~15为选晶器在启晶器的不同位置(见图2)上的变化。

图1 计算模型示意图图2 选晶器在启晶器的不同位置Fig.1 Schematic of numeration model Fig.2 The different positions of spiral grain

selector on the starter block

表1本研究中螺旋选晶器的几何尺寸

Table.1 Geometries of spiral selector in this study

Group One Group Two Group Three Case 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11~15

H/ mm 15 20 25 30 35 25 25

d B/ mm 23 20 23 26 29 32 26

Lp/ mm 18 18 18

ds/ mm 15 15 15

dr/ mm 5 5 5

3 模拟结果及讨论

3.1启晶器高度变化对取向偏差的影响

用宏观模型ProCAST和介观元胞自动机有限元模型(CAFE)模拟螺旋选晶器的选晶结果如图3所示,与<001>方向即热流方向的取向偏差从0o到54o分别用不同颜色来表示。在底部,大量的晶粒随机形核,凝固过程中伴随着竞争生长,随着高度的增加,晶粒数量减少。竞争生长过程中,晶粒按<001>方向为择优生长方向,随着高度的增加,淘汰取向偏差较大的晶粒,如绿色和黄色代表的晶粒。因此,启晶器高度越高,晶粒的取向偏差越小,进入到选晶器中晶粒的取向偏差也越小,这和Esaka[10]等人的研究相吻合,即启晶器高度的增加能优化晶粒的取向,启晶器对晶粒的取向优化有明显的作用。

图3 选晶的模拟结果

Fig.3 Simulation results of selection

3.2 启晶器直径变化对取向偏差的影响

图4表示从底部开始不同高度上平均取向偏差的变化趋势,虚红线将启晶器和选晶器分开。启晶器部分,当直径大小不同时,相同高度上的平均取向偏差有所差别,但相差不大,仅在1o 左右;随着高度的增加,平均取向偏差减少,并且在不同直径时的变化趋势一致,相差范围控制在1o 左右;从5 mm 处的24.5o 左右到24 mm 处的14o 左右,晶粒的平均取向偏差有明显的优化。

在选晶器部分,晶粒平均取向偏差变化比较随机,并且随着高度的增加,选晶器由于其螺旋功能使得幸存下来的晶粒最后长成单晶。本研究中,启晶器直径为29 mm 时,有最小的最终单晶取向偏差12.469o 。从选晶器部分平均取向偏差的变化中还可以看出,启晶器直径为23 mm 和26 mm 时,在高度为40 mm 上已经是单晶;直径为20 mm 和29 mm 时,在高度45 mm 时已经长成单晶;直径为32 mm 时,在高度为45 mm 时还未出现单晶。因此,即便是选晶器几何结构相同,不同的启晶器直径影响进入选晶器的晶粒分布,从而影响出现单晶的高度和单晶的最终取向偏差。 0102030405060

68

10

12

14

16

18

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22

24

26

28

30

S X O r i e n t a t i o n (o )Height from the bottom(mm) d=20mm d=23mm d=26mm d=29mm d=32mm 20.82816.25918.45212.46917.014

图4 不同高度上平均取向偏差的变化

Fig.4 The change of average orientation deviation at different height

3.3 选晶器在启晶器不同位置时对组织演变和取向偏差的影响

图5显示了例14、15从底部开始高度为24.9 mm 、25 mm 、30 mm 、35 mm 、40 mm 、45 mm 上的晶粒结构和取向偏差的变化。从晶粒组织截图来看,例14、15中在高度为25mm 即进入选晶器时的晶粒分布差别很大,例15有大量<001>方向的晶粒(黑色代表的晶粒)进入选晶器中,而例14没有<001>方向的晶粒。随着选晶器高度的增加,<001>方向的晶粒逐渐被淘汰,由于选晶器的螺旋结构和晶粒之间的竞争生长,使得小角度晶粒消失,大角度晶粒幸存,最终选取一个单晶;从取向分布来看,选晶过程中平均取向偏差和取向分布变化很大,虽然在高度为25mm 时,例15中有大量的0o 晶粒,而例14中没有0o 晶粒,但经过螺旋选晶器选晶后,例15得到取向偏差为23.518o 的单晶,例14得到18.988o 的单晶。因此即便进入选晶器时含有大量<001>方向的晶粒,但在选晶器内将淘汰取向偏差较小的晶粒。选晶得到最终单晶的取向偏差主要由进入选晶器时晶粒分布和选晶器选晶决定的,选晶器所在启晶器位置上的不同,对选晶器内温度分布产生影响,从而影响选晶器内的晶粒分布、最终单晶的取向和高度。

(a)24.9 mm (b)25 mm (c)30 mm (d)35 mm (e)40 mm (f)45 mm 图5 从底部开始高度为24.9 mm、25 mm、30 mm、35 mm、40 mm、45 mm(a)-(f)

上的晶粒结构和取向偏差

Fig.5 The grain structures and orientation deviation at the height from the base of 24.9 mm、25

mm、30 mm、35 mm、40 mm、45 mm

4 结论

使用宏观模型ProCAST和介观元胞自动机有限元模型(CAFE)模拟了Ni_CMSX_4-1镍基合金定向凝固过程中启晶器高度、直径和选晶器在启晶器不同位置上变化对组织演变和取向偏差的影响。研究表明:

(1)目前用ProCAST和CAFE的耦合模型能很好的模拟定向凝固过程中的组织演变和取向偏差的变化,对凝固过程中的竞争生长和取向优化起到很好的预测作用。

(2)启晶器高度对晶粒有明显的优化作用,启晶器高度越高,越有利于晶粒的取向优化,而最终单晶的取向偏差主要是由进入选晶器中的晶粒分布和选晶器选晶共同决定的。

(3)启晶器直径变化对启晶器部分的平均取向偏差影响不大,但由于启晶器直径的变化,对晶粒组织分布和取向偏差分布都有影响,使得进入选晶器的晶粒分布不同,最终单晶的取向偏差也不同。

(4)选晶器在启晶器不同位置上时,选晶器内温度分布不同,影响进入选晶器中的晶粒分布,从而影响最终单晶的取向偏差。

参考文献

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Numerical simulation of grain selection during directional solidification in spiral grain selector of single crystal superalloy

Liu Chuntao1, LiXiangmei1,Wang Bo1,2, Ren Zhongming1, ZHANG Jieyu*1

(1. Shanghai key lab. of modern metallurgy & material processing, Shanghai University, Shanghai 200072, China;

2. Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou , 014010, China)Abstract: A macro-scale ProCAST and a meso-scale Cellular Automaton Finite Element model (CAFE) are used to simulate the microstructure evolution and orientation deviation during directional solidification with the different geometric structure of starter block and the different position of selector on starter block.This study showed that the height of starter block can optimize the orientation deviation ,and final orientation was determined by grain distrubution and selection in selector;When change the diameter of starter block, the difference of average orientation deviation were around 1o in starter block.The random grain distribution effect the grain distribution in selector;The selector on different position of starter block have effect on grain distribution ,and also effect the orientation and height of final single crystal.

Key words: Directional Solidification;Average orientation;Modelling;Grain selection

单晶高温合金与定向凝固的文献综诉

绪论 航空发动机涡轮叶片的运行经验表明,大多数裂纹都是沿着垂直于叶片主应力方向的晶粒间界即横向晶界上产生和发展的。因此消除这种横向晶界,则可大大提高叶片抗裂纹生长能力。定向凝固就是基于这种设想对叶片铸件的凝固过程进行控制,以获得平行干叶片轴向的柱状晶粒组织。柱状晶之间只有纵向晶界而 无横向品界,这就是定向凝固的柱晶叶片,如果采取某些措施,只允许有一个晶粒成长的柱晶,从面消除了一切晶界,这就是单晶叶片。 由于定向凝固技术用于真空熔铸高温合金涡轮叶片,航空发动机的材料和性能有了极大的提高,特别是单晶叶片的性能和使用寿命比普通精铸叶片提高了许多倍,因此自70年代初期,定向凝固高温合金涡轮叶片开始应用以来,世界各先进的军用及民用航空发动机都普遍采用定向凝固或单晶铸造叶片。 1.定向凝固 1.1定向凝固原理 进行定向凝固以得到连续完整的柱状晶组织,必须满足以下两基本条件: (l)在整个凝固过程中,铸件的固一液相界面上的热流应保持单一方向流出,使成长晶体的凝固界面沿一个方向推进; (2)结晶前沿区域内必须维持正向温度梯度,以阻止其他新晶核的形成。 1.1.1定向凝固过程 定向凝固时合金熔液注入壳型,首先同水冷底板相遇,于是靠近板面的那一层合金熔液迅速冷至结晶温度以下而开始结晶,但此时形成的晶粒,其位向是混乱的,各个方向都有。在随后的凝固进行过程中,由于热流是通过已结晶的固体金属合金有方向性地向冷却板散热,且结晶前沿是正向温度梯度,根据立方晶系的金属及合金(Ni、Fe、Co等及其高温合金)在结晶过程中晶体<100>是择优取向,长大速度最快,从而那些具有<100>方向的晶粒择优长大,而将其他方向的晶粒排挤掉。只要上述定向凝固条件保持不变,取向为<100>的柱状晶继续生长,直到整个叶片,如图1-1所示。

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变形高温合金的特性、分类及用途

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目录 介绍 机理 影响 介绍 机理 影响 展开 编辑本段介绍 材料在外力作用下产生而在外力去除后不能恢复的那部分变形 塑性变形 。材料在外力作用下产生应力和应变(即变形)。当应力未超过材料的弹性极限时,产生的变形在外力去除后全部消除,材料恢复原状,这种变形是可逆的弹性变形。当应力超过材料的弹性极限,则产生的变形在外力去除后不能全部恢复,而残留一部分变形,材料不能恢复到原来的形状,这种残留的变形是不可逆的塑性变形。在锻压、轧制、拔制等加工过程中,产生的弹性变形比塑性变形要小得多,通常忽略不计。这类利用塑性变形而使材料成形的加工方法,统称为塑性加工。 编辑本段机理 固态金属是由大量晶粒组成的多晶体,晶粒内的原子按照体心立方、面心立方或紧密六方等方式排列成有规则的空间结构。由于多种原因,晶粒内的原子结构会存在各种缺陷。原

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高温合金材料的应用与发展分析 李桃山王保山 南昌航空大学飞行器工程学院100631班:10号 南昌航空大学飞行器工程学院100631班:20号 摘要: 本文主要介绍高温合金材料的定义及加工特点,通过了解合金的使用范围及选择标准,使更好的发展运用在各个领域。随着工业技术的发展。要求使用具有耐更高温度下的疲劳、蠕变、热稳定性以及抗氧化性能的高温材料,以适应先进设备(主要是航空运用)的设计要求,因此近半个多世纪以来人们从未停止过对的各种高温合金材料研发。从我国高温材料的发展历程与现状分析认为,我们应该发扬民主, 军民结合, 发扬全国一盘棋的精神, 形成一个和谐的集体,使我国高温合金体系建立在一个更坚实的基础上。 关键字:高温合金材料合金分类应用合金发展前景选择标准 前言: 高温钛合金以其优良的热强性和高比强度,在航空发动机上获得了广泛的应用。类似的高温合金材料在未来很长的一段时间应该是王牌型材料,在科技日新月异的今天,对高温合金材料的研究与来发具有很高的实际意义与战略意义。未来的航空航天飞行器及其推力系统,要求发展比现有的Ti64和Ti6242合金的强度、工作温度和弹性模量更高,密度更小,价格更低的高温合金材料,因此,高温合金材料的是航空材料的发展主流。 一、高温合金材料的定义及加工特点 高温合金定义:高温合金是指以铁、镍、钴为基,能在600℃以上的高温及一定应力作用下长期工作的一类金属材料。并具有较高的高温强度,良好的抗氧化和抗腐蚀性能,良好的疲劳性能、断裂韧性等综合性能。高温合金为单一奥氏体组织,在各种温度下具有良好的组织稳定性和使用可靠性。 高温合金加工特点 对于镍合金、钛合金以及钴合金等高温合金来说,耐高温的特性直接提高了

高温合金的研究现状

航空航天镍基高温合金的研究现状 1万艳松2鞠祖强 南昌航空大学航空制造工程学院10032129 万艳松 南昌航空大学航空制造工程学院10032121 鞠祖强 摘要 简单介绍了镍基高温合金的发展历程,综述了近年来镍基高温合金的研究进展,并探讨了镍基高温合金的应用和发展趋势。 关键字:镍基高温合金性能发展现状 1.引言 高温合金是一种能够在600℃以上及一定应力条件下长期工作的金属材料,而镍基高温合金是以镍为基体(含量一般大于50%) 在650~1000℃范围内具有较高的强度和良好的抗氧化、抗燃气腐蚀能力的高温合金。 2.镍基高温合金发展过程 镍基高温合金(以下简称镍基合金)是30年代后期开始研制的。英国于1941年首先生产出镍基合金Nimonic 75(Ni-20Cr-0.4Ti);为了提高蠕变强度又添加铝,研制出Nimonic 80(Ni-20Cr-2.5Ti-1.3Al)。美国于40年代中期,苏联于40年代后期,中国于50年代中期也研制出镍基合金。镍基合金的发展包括两个方面:合金成分的改进和生产工艺的革新。50年代初,真空熔炼技术的发展,为炼制含高铝和钛的镍基合金创造了条件。初期的镍基合金大都是变形合金。50年代后期,由于涡轮叶片工作温度的提高,要求合金有更高的高温强度,但是合金的强度高了,就难以变形,甚至不能变形,于是采用熔模精密铸造工艺,发展出一系列具有良好高温强度的铸造合金。60年代中期发展出性能更好的定向结晶和单晶高温合金以及粉末冶金高温合金。为了满足舰船和工业燃气轮机的需要,60年代以来还发展出一批抗热腐蚀性能较好、组织稳定的高铬镍基合金。在从40年代初到70年代末大约40年的时间内,镍基合金的工作温度从700℃提高到1100℃,平均每年提高10℃左右。 3.镍基高温合金成分和性能 镍基合金是高温合金中应用最广、高温强度最高的一类合金。其主要原因,一是镍基合金中可以溶解较多合金元素,且能保持较好的组织稳定性;二是可以形成共格有序的A3B型金属间化合物γ'[Ni3(Al,Ti)]相作为强化相,使合金得到有效的强化,获得比铁基高温合金和钴基高温合金更高的高温强度;三是含铬的镍基合金具有比铁基高温合金更好的抗氧化和抗燃气腐蚀能力。镍基合金含有十多种元素,其中Cr 主要起抗氧化和抗腐蚀作用,其他元素主要起强化作用。根据它们的强化作用方式可分为:固溶强化元素,如钨、钼、钴、铬和钒等;沉淀强化元素,如铝、钛、铌和钽;晶界强化元素,如硼、锆、镁和稀土元素等。

54.镍基单晶高温合金的发展概况

镍基单晶高温合金的发展概况 镍基单晶高温合金的发展概况 黄爱华1,崔树森1,王少刚1,杨胜群1,刘秀玲2,于兴福1 (1.沈阳黎明航空发动机(集团)有限责任公司,辽宁沈阳110043; 2.沈阳铸造研究所,辽宁沈阳110022) 摘要:论述了单晶高温合金的制备方法,凝固过程的控制。概述了单晶高温合金的发展历程以及合金成分的发展。最后介绍了我国高温合金的发展状况。 关键词:镍基单晶高温合金;制备方法;合金成分 高温合金由等轴晶经历了定向柱晶发展到单晶,既是发动机工作温度不断提高的要求,也是凝固技术持续发展的结果。镍基单晶高温合金通常划分为五代,早期研制的单晶合金称为第一代单晶合金[1],随着铼(Re)元素的引入,第二代和第三代单晶合金[2]相继出现,近期开始在单晶合金中加入元素钌(Ru),从而研制出第四代至第五代单晶高温合金。 镍基高温合金广泛应用于航空、航天、舰船、发电、机床、石油和化工等工业领域,在航空发动机上主要用于制作热端部件,如涡轮工作叶片、导向叶片、涡轮盘、燃烧室和压气机等部件。在整个高温合金领域中,镍基高温合金占有特殊重要的地位,与铁基和钴基合金相比,镍基合金具有更好的高温性能,良好的抗氧化和抗腐蚀性能,可以说,镍基高温合金的发展决定了航空涡轮发动机的发展,也决定了航空工业的发展。采用定向凝固技术制备出的单晶合金,其使用温度已接近合金熔点的90%,成为当代先进航空发动机热端部件不可替代的重要结构材料。 1情况介绍 铸件形成定向柱晶组织必须具备两个条件,一是热流必须垂直于晶体生长的固液界面单向流动;二是固液界前方的液体中没有稳定的晶核。Bridgman法就是一种广泛应用的由高温熔体生长单晶的方法。 单晶和定向柱晶凝固过程的唯一差别是单晶必须是由一个晶核长大而成的。获得单一晶核的方法通常有两种:即选晶法和籽晶法,两种方法各有优缺点、互相补充。 (1)螺旋生长法制备单晶的基本原理(图1,图2),众多晶粒在经过螺旋形的单晶选择器后,只剩下生长最快的一个晶粒,从而形成单晶。 图1单晶的螺旋生长法生产示意图图2单晶选择示意图

中国高温合金行业市场现状与发展前景投资风险分析报告2020-2025

《中国高温合金行业市场现状与发展前景投资风险分析》 更新时间:2020 版本:2020新版

目录 第一章2018-2019年中国高温合金市场运行调查研究分析 (1) 第一节中国高温合金市场运行现状分析 (2) 一、中国高温合金市场结构调查研究分析 (3) 二、中国高温合金市场规模调查研究分析 (4) 三、中国高温合金市场增速调查研究分析 (5) 四、中国高温合金区域市场占比研究分析 (6) 五、中国高温合金市场价格走势调查研究分析 (7) 六、中国高温合金市场战略及前景趋势研究分析 (6) 第二节中国高温合金行业市场容量调查研究分析 (8) 一、中国高温合金市场容量调查研究分析 (9) 二、中国高温合金市场容量前景趋势预测分析 (10) 第二章2018-2019年中国高温合金行业营销策略分析 (11) 第一节2018-2019年中国高温合金行业营销策略分析 (12) 一、中国高温合金行业的互联网主要宣传优势 (13) 二、中国高温合金企业互联网+营销的关键点分析 (14) 三、中国高温合金行业互联网+营销战略研究分析 (15) 第二节2019-2020中国互联网+高温合金品牌营销思路分析 (16) 一、中国高温合金品牌快速成长的策略探讨 (17) 二、互联网+高温合金品牌有效营销要注重服务的优势 (18) 三、互联网+高温合金新品牌的市场培育路径分析 (19) 四、高温合金品牌有效营销需建立互联网营销模式 (20) 第三章2020-2025年中国高温合金行业发展前景及趋势预测分析 (21) 第一节2020-2025年中国高温合金行业发展前景分析 (22) 一、疫情后中国高温合金产业方向 (23) 二、中国高温合金产业政策趋向研究 (24) 三、中国高温合金市场发展空间研究分析 (25)

一种Ni3Al基单晶高温合金的再结晶动力学及组织变化

登槊EI.S】三vIERPress Availableonlineat、^n^n^f.sciencedirect.com .。●● ??二,ScienceDirect Trans.NonferrousMet.Soc.China22(2012)2098—2105 Transactionsof NonferrousMetals SocietyofChina ■■■■■■■■■■■■■●■■■■●■■■●■■■■■■■_ WWWtnmsc.Cn Kineticsandmicrostructuralevolutionduringrecrystallizationof flNi3A1一basedsinglecrystalsuperalloy wuYu—xia01,ZHANG Heng‘,LIFu—linl,LIShu.SU01,2,GONGSheng.kail,2,HANYa-fan91,31.SchoolofMaterialsScienceandEngineering,BeihangUniversity,Beijing100191,China; 2.KeyLaboratoryofAerospaceMaterialsandPerformance(MinistryofEducation), BeihangUniversity,Beijing100191,China; 3.BeijingInstituteofAeronauticalMaterials,Beijing100095,China Received21November2011;accepted15March2012 Abstract:TherecrystallizationkineticsandmicrostructuralevolutionofaNilAl.basedsinglecrystalsuperalloywerepresented,especiallythedifferentrecrystallizationbehaviorsbetweenthedendritearlnandtheinterdendriticregion.Thesinglecrystalalloywasdeformedbygritblasting.Asucceedingannealingunderinertatmosphereat1280。Cfordifferenttime1edtotheformationofrecrystallizedgrainsclosetothegritblastingsurface.Itwasfoundthattherecrystallizationdepthandvelocityinthedendritearmwererespectivelydeeperandfasterthanthoseintheinterdendriticregionwherethey-NiMophaseexisted.TherecrystallizationprocessintheinterdendriticregionwassignificantlyinhibitedbytheY.NiMoprecipitates.However.thepinningeffectgraduallyweakenedwiththeannealingtimeduetothedissolutionofthey-NiMophase.andtherecrystallizationdepthinthedendritearlnwasdeeperthanthatintheinterdendriticregion. Keywords:recrvstallization;kinetics;y-NiMophase;NilAlbasedsinglecrystalsuperalloy 1Introduction Singlecrystalsuperalloyspossessimportantapplicationsingasturbinebladesandvanesduetotheirexcellentelevatedtemperaturemechanicalpropertiescomparedwithpolycrystallinematerials.Nevertheless,strain.inducedrecrystallization(RX)isawell—knownproblemintheproductionandserviceofthesinglecrystalalloyparts.Itisknownthatacertainvolumeofrecrystallizationmaydramaticallyreducetheircreeprupturestrength[1,2]andfatiguelife[3,4].Duringmanufacturingandprocessingofthenewparts,plasticdeformationmightbeindueedbyshellremoval,stampingidentificationandgritblasting[5].Subsequently,surfacerecrystallizationmaytakeplaceduringthesolutiontreatment.whichcanIntroducedisadvantageousorientationsandhigh—anglegrainboundaries. Tosolvethisproblem,therecrystallizationbehaviorsofnickel—basedsinglecrystalsuperalloyssuchasSRR99[6],CMSX一2[7]andCMSX-4[8]havebeenstudied.However,therecrystallizationbehavioroftheNi3A1.basedsinglecrystalsuperalloysisnotyetclear『9,101.LIetal『10]mainlystudiedthecellularmierostmeturewhichtransformedbyiarge1,’particlesduringrecrystallizationofaNi3A1.basedsinglecrystalsuperalloy,IC6SX.BAKERetal[11]investigatedtherecrystallizationkineticsofcold—rolledNi,A1.whereasadeepinsightontherecrystallizationkineticsandmicrostructuralevolutionoftheNi3A1.basedsinglecrystalalloyisnotpresented.Inaddition,recrystallizationkineticsjnthedendritearmandinterdendriticregionhasbeenrarelyreported. Ni3AlisoneofthemostextensivelystudiedintermetalliccompoundsandavarietyofNilAl.basedmaterialshavebeendevelopedforelevatedtemperatureapplications[12一l4】.Tomeettheever—increasingdemandforhigheroperatingtemperaturesintheaeroengine,anewNi3AI—basedsuperalloy,IC21,hasbeenrecentlydevelopedwhichexhibitsexceIlent hightemperaturemechanicalproperties.SystematicanalysisofrecrystallizationbehaviorofIC21hasbeenlimited.Thus,adetailedstudyofrecrystalIizationkineticsand Foundationitem:Project(50971005)supportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChinaCorrespondingauthors:GONGSheng—kai;Tel:+86.10-82339003;E-mail:gongsk@buaa.edu.cn; LIShu.suo;Tel:+86—10-82314488;E一,nail:lishs@buaa.edu.cnDOI:101016/S1003.6326(11161434—9 万方数据

Ni—Cr—Al高温合金材料的研究现状及发展

Ni—Cr—Al高温合金材料的研究现状及发展 【摘要】随着航天、航空、电力、冶金、能源、石化工业的迅速发展,对高温抗氧化合金材料的服役性要求越来越高,高温抗氧化合金材料已经成为影响工业发展的决定因素,这就给高温抗氧化合金的研制和开发提出新的机遇和挑战。Ni-Cr-Al合金以其抗高温、抗氧化性能被广泛的应用于燃气轮机叶片等高温部件,在国防和工业生产中,扮演着重要角色。 【关键词】Ni-Cr-Al高温合金;性能;研究现状;发展 1.引言 镍是一种耐腐蚀性优良、韧性较好的金属材料,具有良好的力学、物理和化学性能,添加适宜的元素可提高它的抗氧化性、耐腐蚀性、高温强度和改善某些物理性能。Ni-Cr-Al合金的成分主要是镍铝,铬的含量较少,是重要的高温合金材料,在能源开发、化工、电子、航海、航空和航天等部门中都有广泛的应用,物理与化学的性能不言而喻,耐高温、抗蠕变、抗腐蚀性能好,凭借这些优良性能,使镍铬铝合金成为未来高温合金材料中最有前景和价值的合金材料之一,因此,研究镍铬铝合金对现实工业生产具有重要的意义。 2.概述 Ni-Cr-Al高温合金依靠其耐高温抗氧化性能,成为重要高温材料之一,在国防和工业生产中,扮演着重要的角色,以其优良的性能被广泛应用于航空航天,电力,冶金等高温部件。Ni-Cr-Al高温合金这样良好的性能主要依靠Al和Cr来形成一层Al2O3和Cr2O3保护性氧化膜,氧化膜生长缓慢,粘附性较好,对基体起到良好的保护作用。 3.Ni-Cr-Al合金的发展历程 3.1 Ni-Cr合金:Ni-Cr合金可作为耐热、抗高温氧化和耐腐蚀的涂层。典型的镍铬合金为镍含量80%、铬含量为20%,但也有镍为60%,铬为16%和其余为铁的。其中80Ni20Cr合金是热喷涂常用的材料,该合金具有较好的耐高温氧化性能,耐酸和碱腐蚀,是制备耐热、耐蚀涂层的典型材料。由于涂层致密、与基体材料的粘结性好,通常作为耐热陶瓷涂层的粘结底层,既能增加涂层的结合强度,同时又能防止高温氧化和腐蚀性气体对金属的侵蚀,但该合金不耐硫化氢、亚硫酸气体、盐类及高温潮湿下还原性气体的腐蚀,在硝酸、盐酸溶液中也容易受到侵蚀。可广泛应用于锅炉水冷管壁(包括重油余热锅炉中的水冷管壁及燃煤锅炉水冷管壁)和换热器管壁,以减缓锅炉管壁的腐蚀与冲蚀。如美国TAFA公司为喷涂锅炉水冷壁保护涂层而设计的牌号为45CT的镍铬合金丝,保护锅炉管道,延长其使用寿命。 3.2 Ni-Al合金:用于电弧喷涂的Ni-Al合金丝,镍、铝的质量比为Ni:Al=95:

国产第三代低成本低含铼单晶DD90详细数据

镍基单晶高温合金是近几十年来在少数发达国家中采用单晶技术生产的新型材料,该材料用做航空发动机叶片,可显著提高发动机的工作温度和发动机功率,对航空工业 产品的更新换代具有重要的意义。多年来人们在合金成分设计,冶金工艺,单晶制备,晶体缺陷及蠕变机制等方面进行了大量的研究工作,研究成果层出不穷。到目前为止, 已经有五代单晶高温合金相继问世。而我国在单晶高温合金的研制方面,还处于落后状态。单晶高温合金的高强度是多种强化机制和多种元素共同作用的结果。因此,单晶合金成分、工艺的改变对合金的组织与力学性能的关系的影响是一个较为复杂的问题。本工作的试验材料主要选用正在研制的低含徕的第三代单晶高温合金DD90,该合金具有高强度、低成本的特点。研究其组织与性能之间的关系不仅可以为合金的研制提供直接 图3.5为DD90合金在1320℃/4h,AC处理条件下的显微组织。从图中可以观察到1320℃时合金在共晶区产生初熔。由此可以确定合金初熔点为1320℃。 经过标准热处理后DD90合金在各种试验条件下的持久性能数据列于表3.4中。可以看出:无论是在高温还是较低温度下,合金都具有较高的延伸率,说明该合金具有较 好的塑性。将试验所得的持久寿命的数据与典型第二代单晶高温合金CMSX-4的持久寿命比较发现,在几种持久条件下DD90持久性能远高于典型第二代单晶高温合金 CMSX一4 国外单晶合金的发展 第一代: PW A1480 美F100-220 ReneN4 美F110-129 CFM56-5 SRR99 英RB211 RB199 AM3 法M88-2 ЖС32俄АЛ-31Ф 第二代: PW A1484 美 PW4000系列V2500 ReneN5 美 GE90 CMSX-4 美 EJ200 RB211 ЖС36俄 2%Re,不含Ta,持久强度却能达到第二代水平,原因之一就是加入稀土元素。第三代: ReneN6 美 CMSX-10 美 (两种牌号铼的含量最高分别达5.6%、7%,难熔元素的总含量(Re、Ta、W、Mo)高达20%)TMS-75 日 Re含量5% 第四代: RR3010 英 Trent TMS-138 日 2%Ru MC-NG 法 4%Ru 第五代: TMS-162 日 Ru含量6% 1.高温合金 高温合金是随着航空航天技术的发展需要而发展起来的一种高温结构材料,经过几十年的发展,各国均建立了各自的高温合金系列,主要用于发动机的涡轮叶片、涡轮盘和燃烧室

高温合金热处理

高温合金热处理 高温合金的性能与其组织有密切关系,高温合金的组织是可以通过热处理来调整的,如合金的晶粒大小,碳化物形态和分布,金属间化合物(γ’)的大小和分布等都是通过热处理工艺来控制的。对于变形合金来说,热处理尤为重要。高温合金的热处理一般由固溶处理、中间处理和时效处理组成。 (1) 固溶处理 固溶处理是为了溶解基体内碳化物、γ’相等以得到均匀的晕饱和固溶体,便于时效时重新析出颗粒细小、分布均匀的碳化物和γ’等强化相,同时消除由于冷热加工产生的应力,使合金发生再结晶。其次,固溶处理是为了获得适宜的晶粒度,以保证合金高温抗蠕变性能。固溶处理的温度范围大约在980~12500C之间,主要根据各个合金中相析出和溶解规律及使用要求来选择,以保证主要强化相必要的析出条件和一定的晶粒度。对于长期高温使用的合金,要求有较好的高温持久和蠕变性能,应选择较高的固溶温度以获得较大的晶粒度;对于中温使用并要求较好的室温硬度、屈服强度、拉伸强度、冲击韧性和疲劳强度的合金,可采用较低的固溶温度,保证较小的晶粒度。高温固溶下理时,各种析出相都逐步溶解,同时晶粒长大;低温固溶处理时,不仅有主要强化相的溶解,而且可能有某些相的析出。对于过饱和度低的合金,通常选择较快的冷却速度(如油水冷);对于过饱和度高的合金,通常为空气中冷却。 (2)中间处理

、中间处理即二次固溶处理或中间时效处理,其主要作用是改变晶界上析出的碳化物数量、形态和分布,其次是在合金中造成大小两种γ’的合理分布,以显著提高合金的持久寿命和塑性。中间处理的温度大约在1000~11500C,在保温和冷却过程中,晶界析出链状碳化物,起强化晶界作用。对于过饱和度低的合金,经中间处理后,可以避免晶界细胞状M23C6析出,在晶界产生富Cr的块状碳化物,由于晶界区域Cr浓度降低,提高了AI Ti的溶解度,使γ’溶德意志联邦共和国基体内,造成晶界贫γ’区的出现。适当宽度的贫γ’区有一定塑性,在高温应力作用下能发生松弛、解除应力集中,延缓裂纹产生,提高持久寿命。贫γ’区过窄,持久塑性差;贫γ’区过宽,则蠕变速度高,都会导致早期破断。对于过饱和度高的合金,经中间处理后,在晶界析出链状碳化物M23C6,使晶界附近Cr MO等贫化,而AI Ti 浓度相对增高,往往形成包覆晶界碳化物的γ’包膜,对持久性能是有利的。中间处理时,析出尺寸γ’相,使合金最终时效后得到大小两种尺寸的γ’相,以改善合金的综合性能和长期组织稳定性。对于碳化物强化的铁基合金,一般不采用中间处理。 (3)时效处理 时效处理能使合金充分而均匀析出强化相。在时效温度下不应引起强化相的溶解和聚化,保下强化相的尺寸合适。时效温度一般在 700~9500C,时效温度取决于强化相的数量和合金成分,随铝、钛含量增加而增高。过饱和度高的合金,由于在固溶处理和中间处理的冷却过程中γ’相已大量析出,所以最后的时效处理只产生较小的组织

镍基高温合金材料研究进展汇总-共7页

镍基高温合金材料研究进展 姓名:李义锋1 镍基高温合金材料概述 高温合金是指以铁、镍、钴为基,在高温环境下服役,并能承受严酷的机械应力及具有良好表面稳定性的一类合金[1]。高温合金一般具有高的室温和高温强度、良好的抗氧化性和抗热腐蚀性、优异的蠕变与疲劳抗力、良好的组织稳定性和使用的可靠性[2]。因此,高温合金既是航空、航天发动机高温部件的关键材料,又是舰船、能源、石油化工等工业领域不可缺少的重要材料,已成为衡量一个国家材料发展水平的重要标志之一。 在整个高温合金领域中,镍基高温合金占有特殊重要的地位。与铁基和钴基高温合金相比,镍基高温合金具有更高的高温强度和组织稳定性,广泛应用于制作航空喷气发动机和工业燃气轮机的热端部件。现代燃气涡轮发动机有50%以上质量的材料采用高温合金,其中镍基高温合金的用量在发动机材料中约占40%。镍基合金在中、高温度下具有优异综合性能,适合长时间在高温下工作,能够抗腐蚀和磨蚀,是最复杂的、在高温零部件中应用最广泛的、在所有超合金中许多冶金工作者最感兴趣的合金。镍基高温合金主要用于航空航天领域950-1050℃下工作的结构部件,如航空发动机的工作叶片、涡轮盘、燃烧室等。因此,研究镍基高温合金对于我国航天航空事业的发展具有重要意义。 镍基高温合金是以镍为基体(含量一般大于50 )、在650~1000℃范围内具有较高的强度和良好的抗氧化、抗燃气腐蚀能力的高温合金[2]。它是在Cr20Ni80合金基础上发展起来的,为了满足1000℃左右高温热强性(高温强度、蠕变抗力、高温疲劳强度)和气体介质中的抗氧化、抗腐蚀的要求,加入了大量的强化元素,如W、Mo、Ti、Al、Nb、Co等,以保证其优越的高温性能。除具有固溶强化作用,高温合金更依靠Al、Ti等与Ni形成金属问化合物γ′相(Ni3A1或Ni3Ti等)的析出强化和部分细小稳定MC、M23C6碳化物的晶内弥散强化以及B、Zr、Re等对晶界起净化、强化作用。添加Cr的目的是进一步提高高温合金抗氧化、抗高温腐蚀性能。镍基高温合金具有良好的综合性能,目前已被广泛地用于航空航天、汽车、通讯和电子工业部门。随着对镍基合金潜在性能的发掘,研究人员对其使用性能提出了更高的要求,国内外学者已开拓了针对镍基合金的新加工工艺如等温锻造、挤压变形、包套变形等。

高温合金材料研究进展

材料科学与工程前沿课程报告第二部分:高温合金专题学习报告 学院:材料科学与工程学院 专业:材料科学与工程 姓名:XXXXX 学号:XXXXX 班级:XXXXX 2012年11月19日

高温合金材料研究进展 摘要:本文主要是根据这学期在材料科学与工程前沿课上听了董建新教授讲关于高温合金相关的知识,然后通过调研,对国内外高温合金的研究发展现状有了一定的认识,本文主要介绍目前高温合金材料的研究进展和我校在相关方面的研究成果,并提出自己的见解,我国高温合金方面虽然有了很大的进步,但是和国际上的高温合金的研究还有差距,建立在仿制国外高温合金材料的基础上的创新并不是真正的创新,真正想要达到并超越国际水平,我们还有很长的路要走。 关键词:高温合金董建新研究进展 引言 高温合金是制造现代航空发动机、航天火箭发动机和各种工业燃气涡轮发动机的重要金属材料。目前在先进的航空发动机中,高温合金用量所占比例高达50%以上。显然,没有高温合金就不可能有高速、高效率、安全可靠的现代航空和航天事业,同时,高温合金在核工程、能源动力、交通运输、石油化工、冶金等领域也有广阔的用途[1]。高温合金是在550℃以上温度条件下能承受一定应力并具有抗氧化和抗热腐蚀能力的材料。我国的高温合金以合金成形方式、合金基体元素、合金强化方式的顺序,构成我国高温合金系列和体系,其中合金成形方式有变形高温合金、铸造高温合金(包括等轴晶铸造高温合金、定向凝固柱晶高温合金和单晶高温合金)、焊接用高温合金丝、粉末冶金高温合金、弥散强化高温合金和金属间化合物高温材料之分。在这些不同合金系列之下,再分为铁基、镍基、钴基及铬基合金。 董建新教授从高温合金在航空航天等高科技产品上面的应用开始说起,介绍了高温合金材料的研究现状、制备和加工方面,还有高温合金的元素组成、强韧化和工艺强化等知识,让我们对目前的高温合金材料的研究现状有了初步的认识。经过50多年的研究,我国在高温材料领域已经取得了一系列的进步,但是,还是与国外如美国等还存在着相当大的一段距离,例如我国生产的涡轮盘质量就不及美国,一些关键的技术都处于被国外封锁的阶段,一些关键的零部件我们不能研发,只能靠进口。这在很大程度上制约了我国航空、汽车制造业的发展。所以,研究高温材料的科研人员还是有很大的用武之地的。目前各国纷纷提出航天发展计划,竞争将愈加激烈。我们国家必须重点发展高温合金在高科技航空航天领域

第三代单晶高温合金TMS_75和TMS_82

表2 本工作研制的SiC p/Al2O3-Al复合材料 与国外同类材料力学性能对比 T able2 A comparison of mechanical pr oper ties between SiC p/A l2O3-A l co mposites prepar ed by t his method and a br oad pro ducts of the same kind 性能LANXIDE BIAM RT f/M Pa400~500590 K IC/M Pa m1/27.0~7.5 6.1 1000℃ f/M Pa200~250350 K IC/M Pa m1/2 3.0~4.0 4.8 3 结论 (1)首次采用XPS测试方法,对SiC p/Al2O3-Al 复合材料断裂表面组成相进行定量分析,通过与材料内部组成相的定量金相分析结果的一一对比,进而成功地给出了此种多元复合材料量化的微观断裂机制。 (2)碳化硅颗粒粒度对熔铝氧化渗透合成SiC p/ Al2O3-Al复合材料的微观断裂机制有着显著的控制作用,本研究条件下最佳颗粒粒度为10 m。碳化硅颗粒过细,则出现大面积、大尺寸Si相,并成为材料内部的明显薄弱环节,进而损害材料的强韧性;碳化硅颗粒尺寸过大,则增强作用有限,并导致因Al含量减少而造成的韧性下降。 (3)在碳化硅颗粒粒度为10 m的情况下,所研制的氧化渗透合成SiC p/Al2O3-Al复合材料,其力学性能的总体水平已超过始终处于领先和垄断地位的Lanx ide公司的同类产品,其中,高温强度比Lanxide 公司的最新数据高出约50%之多。 参考文献 [1] H.T.Lin et al.J.Am.C eram.Soc.,1996,79(8):2218~2220 [2] 史可顺.陶瓷(硅酸盐)指南'96—中国硅酸盐学会手册,技术 篇,18~120 [3] M.S.New krik et al.Ceram.Eng.Sci.Proc.,1987,8(7~ 8):879~856 [4] I.S.Kim et al.J.M ater.Sci.Letter,1997,16:772~775 [5] S.M.Pick ard et al.Acta metall mater,1992,40(1):177~184 [6] 崔岩.北京航空材料研究院博士后研究工作报告,1999.7 [7] Du Pont Lan xide Compos ites Inc.Prelim inary Eng ineering Data 基金项目:国防科技重点实验室基金资助项目 收稿日期:2000-04-03; 作者简介:崔岩(1969-),男,高级工程师,博士,长期从事高体分比功能型颗粒/铝基复合材料的研究工作。联系地址:北京81信箱3分箱(100095) 本文编辑:全宏声 ● ****************************** 第三代单晶高温合金T M S-75和T M S-82 日本的第三代单晶高温合金T MS-75由日本国家金属材料研究所(NRIM)按其合金发展计划借助于Cluster变量方法开发,其成分(w t%)为Ni-12Co-3Cr-2M o-6W-6Al-6T a-0.1Hf-5Re,其特点是含5%的Re。T MS-75显微组织比美国CM SX-10更稳定,由于有较宽的热处理窗口也很容易进行热处理,抗蠕变强度与CM SX-10相当。已与T oshiba PIC合作,用该合金成功铸造出15M W级的工业用汽轮机的叶片,并进行热处理。该叶片将于2000年10月开始在实际的15M W汽轮机上试验。另一个第三代单晶合金TM S-82只含2.4%Re,在较高温度和较低应力状态,TM S-82的蠕变强度优于CM SX-10,甚至优于美国专利5482789所述的含Ru的合金。 NRIM已在900℃(相当于汽轮机条件)和1100℃(相当于航空发动机条件)研究了T M S-75的显微组织并测试了它的蠕变性能。 (全宏声) 日本开发第四代单晶高温合金 日本NRIM为开发第四代单晶高温合金,至少已在第三代单晶合金TM S-75上进行了两个方面的试验研究。一方面是试验Pt族金属添加元素对显微组织和持久性能的影响。已有的研究表明,添加1at%的Ir,Ru,Pt,Rh和Pd中的每一个元素都将减低900℃/ 392MPa条件下的蠕变强度,但Ir例外。例如在1100℃/4000h的长时蠕变试验中,添加Ir是有效的。这可能是由于Ir提高组织稳定性并降低扩散性。也研究了这族金属元素对热腐蚀性能的影响。另一方面是试验基本结构参数的影响。例如,添加Al提高′相体积百分数,它不在1100℃而在900℃使其蠕变强度提高。在高温低应力例如1100℃/137M Pa条件,发现使晶格错配更负(a′

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