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电弧微铸锻复合增材制造GH4169D高温合金的显微组织与力学性能

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金属学报 2024年第5期60卷 681-690页

作者：曾立王桂兰张海鸥翟文正张勇张明波华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室武汉430074 华中科技大学数字制造装备与技术国家重点实验室武汉430074 中国航发北京航空材料研究院北京100095

GH4169D合金作为一种新型的高力学性能和高稳定性的镍基高温合金,在用于制造高性能复杂结构零件方面具有巨大应用价值,但该合金在电弧增材制造中表现出柱状晶粗大、力学性能各向异性等问题。本工作采用电弧微铸锻复合增材制造(hybrid ar... 详细信息

GH4169D合金作为一种新型的高力学性能和高稳定性的镍基高温合金,在用于制造高性能复杂结构零件方面具有巨大应用价值,但该合金在电弧增材制造中表现出柱状晶粗大、力学性能各向异性等问题。本工作采用电弧微铸锻复合增材制造(hybrid arc and micro-rolling additive manufacturing,HARAM)技术成形GH4169D高温合金试块,并制定多种热处理制度对所成形的试块进行热处理。运用OM、SEM、EBSD、EDS、XRD、TEM等手段以及室温拉伸实验对合金的微观组织和力学性能进行观测和分析,并与常规电弧熔丝增材制造(wire and arc additive manufacturing,WAAM)方法成形的GH4169D合金进行对比。结果表明,HARAM技术中同步轧制的“微锻”作用能有效地使合金原本粗大的柱状晶发生“破碎”。与常规WAAM方法相比,采用HARAM技术所成形合金的室温抗拉强度提高(X向提高48 MPa,Z向提高90 MPa),力学性能的各向异性得到有效抑制。均匀化+固溶+双时效热处理有效消除了HARAM技术成形合金中的Laves偏析相,并促进受“微锻”作用的合金组织发生再结晶,使晶粒比未热处理时更为细小均匀,合金的综合力学性能达到最优(抗拉强度和断后延伸率X向为1366 MPa和25.0%,Z向为1354 MPa和24.6%)。

关键词：增材制造电弧微铸锻 GH4169D高温合金热处理显微组织力学性能

700℃时效对9Cr ODS钢微观组织和力学性能的影响

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金属学报 2024年第5期60卷 616-626页

作者：汪建强刘威峰刘生徐斌孙明月李殿中中国科学技术大学材料科学与工程学院沈阳110016 中国科学院金属研究所、中国科学院核用材料与安全评价重点实验室沈阳110016 中国科学院金属研究所、沈阳材料科学国家研究中心沈阳110016 北京理工大学重庆创新中心重庆401135

为探究近服役温度时效行为对ODS钢微观组织和力学性能的影响,通过SEM、TEM和拉伸性能测试等方法,研究了9Cr ODS钢在700℃时效不同时间后的碳化物(M_(23)C_(6))、纳米氧化物演变和力学性能变化。结果表明:在时效初期(≤200 h),M_(23)C_(6... 详细信息

为探究近服役温度时效行为对ODS钢微观组织和力学性能的影响,通过SEM、TEM和拉伸性能测试等方法,研究了9Cr ODS钢在700℃时效不同时间后的碳化物(M_(23)C_(6))、纳米氧化物演变和力学性能变化。结果表明:在时效初期(≤200 h),M_(23)C_(6)在晶界处呈条带状快速析出并聚集长大,纳米氧化物无明显变化;在时效中期(200和1000 h),M_(23)C_(6)和纳米氧化物稳定长大;在时效后期(2000和3000 h),M_(23)C_(6)达到亚微米级,纳米氧化物的平均尺寸和数密度趋于稳定,与初始态相比,其平均尺寸的增长率为19.7%,数密度的下降率为27.1%。因纳米氧化物对不断增殖位错的钉扎,在部分晶粒内出现了位错胞和回复亚晶。9Cr ODS钢的拉伸强度在时效初期快速下降。在时效中后期,虽然纳米氧化物平均尺寸增加、数密度降低,但其钉扎作用仍然显著,以及基体中不断增殖的位错使得材料的拉伸强度维持稳定,延伸率在时效1000和2000 h期间处于低谷。

关键词： 9Cr ODS钢时效碳化物纳米氧化物力学性能

冷轧中锰钢的再结晶调控及其对力学性能的影响

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金属学报 2024年第2期60卷 189-200页

作者：胡宝佳郑沁园路轶贾春妮梁田郑成武李殿中中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心沈阳110016 中国科学技术大学材料科学与工程学院沈阳110016 中国科学院金属研究所中国科学院核用材料与安全评价重点实验室沈阳110016

为探究铁素体再结晶对冷轧中锰钢微观组织与力学性能的影响规律,以0.15C-5Mn(质量分数,%)冷轧中锰钢为研究对象,采用两步临界区退火的热处理方法,利用SEM、TEM和EBSD等表征手段和力学性能测试方法,研究了铁素体再结晶调控对冷轧中锰钢... 详细信息

为探究铁素体再结晶对冷轧中锰钢微观组织与力学性能的影响规律,以0.15C-5Mn(质量分数,%)冷轧中锰钢为研究对象,采用两步临界区退火的热处理方法,利用SEM、TEM和EBSD等表征手段和力学性能测试方法,研究了铁素体再结晶调控对冷轧中锰钢多样化残余奥氏体形成及其力学性能的影响。结果表明,通过在不同温度预先调控冷轧中锰钢中的铁素体再结晶,可获得由不同比例的等轴状再结晶铁素体和马氏体组成的双相细晶组织。经常规退火处理后,在终态组织中形成了不同体积分数的超细晶再结晶铁素体和呈等轴状/板条状形貌的多样化细晶残余奥氏体,使中锰钢在拉伸变形过程中表现出多样化的TRIP效应,在提升冷轧中锰钢强塑性能的同时,其Lüders变形也获得改善。

关键词：冷轧中锰钢铁素体再结晶残余奥氏体 TRIP效应力学性能

交叉包套轧制Ti-44Al-5Nb-1Mo-2V-0.2B合金的微观组织演化及力学性能

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金属学报 2024年第1期60卷 95-106页

作者：王秀琦李天瑞刘国怀郭瑞琪王昭东东北大学轧制技术与连轧自动化国家重点实验室沈阳110819 安徽工业大学冶金工程学院马鞍山243000

TiAl合金因其低密度、优异的高温强度、抗蠕变和抗氧化性能而在航空航天和汽车工业中具有广阔的应用前景,但其本质脆性和变形能力差的缺点严重限制其进一步发展。本工作通过交叉包套轧制(CHPR)和一步退火处理实现了800℃下超高塑性Ti-44... 详细信息

TiAl合金因其低密度、优异的高温强度、抗蠕变和抗氧化性能而在航空航天和汽车工业中具有广阔的应用前景,但其本质脆性和变形能力差的缺点严重限制其进一步发展。本工作通过交叉包套轧制(CHPR)和一步退火处理实现了800℃下超高塑性Ti-44Al-5Nb-1Mo-2V-0.2B合金板材的制备。利用SEM、EBSD、TEM和拉伸等实验方法考察了TiAl合金的热变形行为、不同轧制和热处理工艺对微观组织和力学性能的影响。结果表明,与单向包套轧制(UHPR)相比,CHPR板材沿厚度方向和板面方向均表现出更高的组织均匀性,微观组织由残余α_(2)/γ片层及其晶界的等轴γ、α_(2)和B2相组成,但残余片层的尺寸较小且含量明显降低,其原因是在CHPR的双向剪切力和压应力的作用下大量残余片层破碎并发生了完全再结晶。CHPR TiAl合金的高温流变软化机制主要包括片层弯曲扭折变形、β/B2相协调变形、α_(2)/γ片层的相变分解、初生和二次孪晶诱导的γ相动态再结晶。随后对CHPR合金进行1200~1340℃的退火热处理,1200℃条件下获得了等轴片层和等轴晶粒(α_(2)+γ+B2)的多相组织,部分晶粒达到了纳米级。1340℃条件下得到了近全片层组织。对UHPR和CHPR板材的横/纵向和1200℃退火热处理试样的拉伸性能进行比较,CHPR板材横纵向的拉伸性能更加均匀,再经1200℃退火热处理后获得的多相等轴组织具有最佳的强度-塑性匹配,室温下抗拉强度为624 MPa,延伸率为1.32%;800℃下抗拉强度为515 MPa,延伸率可达107.0%。分析试样的断裂行为可知,室温下3种试样的断裂方式为穿片层和解理断裂。800℃下断裂方式转变为韧性断裂,断裂失效机制以微孔联结机制为主,其中经过1200℃退火热处理的板材断口具有更小而深的韧窝,塑性最佳。精细的片层结构和均匀细小的等轴晶组织能够阻碍裂纹的扩展,有利于综合力学性能的提高。

关键词： TiAl合金交叉包套轧制热处理微观组织力学性能

选区激光熔化成形FeCrNi中熵合金点阵结构及其力学性能

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材料工程 2024年第1期52卷 211-219页

作者：孙驰汪健贺贺秦冬阳曹远奎付遨刘彬中南大学粉末冶金研究院长沙410083 西北工业大学航空学院西安710072

金属点阵结构材料由于其轻量化、高比强度、能量吸收和多孔性等优势,广泛应用于航空航天、汽车工业等领域。以高强韧FeCrNi中熵合金(medium entropy alloy,MEA)为研究对象,采用选区激光熔化(selective laser melting,SLM)技术制备了具有... 详细信息

金属点阵结构材料由于其轻量化、高比强度、能量吸收和多孔性等优势,广泛应用于航空航天、汽车工业等领域。以高强韧FeCrNi中熵合金(medium entropy alloy,MEA)为研究对象,采用选区激光熔化(selective laser melting,SLM)技术制备了具有BCC,BCCZ,FCC,FCCZ四种仿晶格结构的FeCrNi中熵合金点阵结构材料,对其显微组织、力学性能及变形行为进行了系统研究。结果表明,采用SLM技术制备的FeCrNi中熵合金点阵结构节点搭接质量高,熔池交错堆叠致密,晶粒均匀细小。在相对密度相近时,BCC,FCC,BCCZ,FCCZ点阵结构的比强度和比能量吸收值依次升高。具有FCCZ点阵结构的FeCrNi中熵合金材料的比能量吸收值达到49.8 J·g^(-1),显著高于Ti6Al4V及316L不锈钢点阵材料。有限元模拟分析表明,Z型支柱的存在增加了点阵材料的表观强度和刚度,并导致变形行为由结点弯曲主导向拉轴向压缩主导转变,是FCCZ点阵结构强度提升的主要原因。

关键词：选区激光熔化中熵合金点阵结构力学性能

增材制造TiB/Ti复合材料网状组织形成与力学性能

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材料工程 2024年第2期52卷 31-39页

作者：韩远飞方旻翰张亮孙中刚黄光法吕维洁上海交通大学材料科学与工程学院金属基复合材料国家重点实验室上海200240 上海材料研究所上海3D打印材料工程技术研究中心上海200437 南京工业大学材料科学与工程学院先进材料研究院南京210009

采用快速凝固技术将TiB直接植入基体钛合金,形成一种新型超细网状结构钛基复合材料(titanium matrix composites,TMCs)粉体,并采用激光增材制造技术,制备出一种等轴网状和柱状网状组织交替分布的新型钛基复合材料,系统分析和讨论增材制... 详细信息

采用快速凝固技术将TiB直接植入基体钛合金,形成一种新型超细网状结构钛基复合材料(titanium matrix composites,TMCs)粉体,并采用激光增材制造技术,制备出一种等轴网状和柱状网状组织交替分布的新型钛基复合材料,系统分析和讨论增材制造TMCs超常凝固网状组织形成机制与力学特性。研究发现:增材制造TiB/Ti复合材料网状组织(约9μm)主要由原位自生纳米TiB晶须组成,呈现B27和Bf两种晶体结构;B元素的直接引入,易于在凝固界面形成成分过冷,不仅促使交替形成等轴网状组织和柱状网状结构,也同步细化基体晶粒尺寸,实现基体合金片层α相的等轴化。经原位力学观察分析发现,增材制造形成的原位自生纳米TiB网状组织结构,不仅能够抑制裂纹偏转并钝化裂纹,还将大量滑移迹线聚集于网络结构内部,并在晶界诱发高密度位错,限制材料的塑性变形,大幅度提高了复合材料的强度,增材制造TiB/Ti复合材料抗拉强度提高42%,伸长率保持在约10%。

关键词：增材制造钛基复合材料网状结构力学性能

Mo元素对Al_(0.3)CrFeCoNiMo_(x)高熵合金组织结构、力学性能和腐蚀行为的影响

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材料工程 2024年第1期52卷 118-127页

作者：范世超廖振龙李柔珊逄淑杰北京航空航天大学材料科学与工程学院北京100191

为提高Al-Cr-Fe-Co-Ni系高熵合金的力学性能和耐腐蚀性能,研究Mo元素对Al_(0.3)CrFeCoNiMo_(x)(x=0.2,0.4,0.6,0.8,摩尔比,下同)高熵合金的组织结构、力学性能及腐蚀行为的影响。结果表明:随着Mo元素含量的提高,合金由FCC相(x=0.2)转变... 详细信息

为提高Al-Cr-Fe-Co-Ni系高熵合金的力学性能和耐腐蚀性能,研究Mo元素对Al_(0.3)CrFeCoNiMo_(x)(x=0.2,0.4,0.6,0.8,摩尔比,下同)高熵合金的组织结构、力学性能及腐蚀行为的影响。结果表明:随着Mo元素含量的提高,合金由FCC相(x=0.2)转变为FCC+σ双相结构(x=0.4~0.8)。当Mo元素含量由x=0.2增加到x=0.8时,合金的压缩屈服强度和硬度分别由304 MPa和214HV提高到1192 MPa和513HV,塑性应变由>50%降低到5.2%,这主要是由于固溶强化作用和σ相含量增加。该合金系中,Al_(0.3)CrFeCoNiMo_(0.4)和Al_(0.3)CrFeCoNiMo_(0.6)合金具有较高的屈服强度(571~776 MPa)和较好的塑性(塑性应变10.3%~23.8%)。在3.5%(质量分数)NaCl溶液中,Al_(0.3)CrFeCoNiMo_(x)高熵合金发生自钝化,具有较低的腐蚀速率(3.6×10^(-4)~5.9×10^(-4)mm/a),且Mo元素的添加有效抑制了点蚀的发生。合金的耐腐蚀性能随着Mo含量的增加而提高,这与合金表面形成的钝化膜阻抗值和厚度提高有关。适当添加Mo元素可以使Al-Cr-Fe-Co-Ni系合金同时具有良好的力学性能和耐腐蚀性能。

关键词：高熵合金组织结构力学性能腐蚀行为

拉伸-扭转复合加载对镍基高温合金GH4169力学性能与变形机理的影响

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金属学报 2024年第1期60卷 30-42页

作者：杨俊杰张昌盛李洪佳谢雷王虹孙光爱中国工程物理研究院核物理与化学研究所中子物理学重点实验室绵阳621999

研究镍基高温合金在近服役条件下的力学性能与内在变形机理具有重要意义,但现有研究主要集中于单轴加载下的力学行为,多轴加载相关研究报道较少。为此,本工作对比研究了单轴和复合加载下多晶镍基高温合金GH4169的力学性能变化规律及其... 详细信息

研究镍基高温合金在近服役条件下的力学性能与内在变形机理具有重要意义,但现有研究主要集中于单轴加载下的力学行为,多轴加载相关研究报道较少。为此,本工作对比研究了单轴和复合加载下多晶镍基高温合金GH4169的力学性能变化规律及其微观变形机制差异。在25℃下对多晶镍基高温合金GH4169进行拉伸-扭转复合加载,结合SEM、TEM、EBSD和中子衍射研究了加载方式对其力学性能、微观组织以及变形机理的影响。结果表明,拉伸样品的屈服强度和极限强度均随预扭转角度增加而增大(增幅分别约为150%和13%);在20%预拉应变下,扭转样品的屈服强度和延伸率均有所增加(增幅分别约为31%和16%)。拉伸和扭转变形后样品中的位错密度明显增大;同时复合加载下位错密度相较于单轴加载略小,表明存在位错湮灭效应。预加载产生的位错强化效应提高了屈服强度,而随后复合加载下位错湮灭效应使预拉伸扭转样品的极限强度有所降低。预扭转形成梯度结构的力学强化作用一定程度上抵消了位错湮灭效应的影响。研究表明,多轴加载方式可调控材料微观结构和变形机制,进而实现材料强度和韧性的协调提升。

关键词：多晶镍基高温合金复合加载力学性能变形机理中子衍射

铸造中熵金属间化合物FeCoNi_(2)Al组织、力学性能及工艺性

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材料工程 2024年第1期52卷 175-182页

作者：高威宗骁孔凡涛张凤祥丁贤飞南海中国航发北京航空材料研究院北京100095 北京航空材料研究院股份有限公司北京100094 北京市先进钛合金精密成型工程技术研究中心北京100095 哈尔滨工业大学材料科学与工程学院哈尔滨150001

为进一步推动中/高熵金属间化合物的工程化应用,以FeCoNi_(2)Al中熵金属间化合物为研究对象,制备了16 kg级大尺寸合金铸锭,细致研究和分析了铸态合金显微组织和力学性能,并采用熔模精密铸造技术浇注了特征结构元件,评价了合金的铸造工... 详细信息

为进一步推动中/高熵金属间化合物的工程化应用,以FeCoNi_(2)Al中熵金属间化合物为研究对象,制备了16 kg级大尺寸合金铸锭,细致研究和分析了铸态合金显微组织和力学性能,并采用熔模精密铸造技术浇注了特征结构元件,评价了合金的铸造工艺性能。结果表明,大尺寸FeCoNi_(2)Al中熵金属间化合物铸锭具有良好的成分均匀性,铸态合金由具有树枝状形貌的B2初生相和枝晶间具有片层结构的L1_(2)+B2相共晶组织构成,室温下铸态合金抗拉强度达1115 MPa,伸长率为4.6%,650℃下合金抗拉强度为434 MPa,伸长率可达14.6%,FeCoNi_(2)Al中熵金属间化合物熔体的流动性低于TC4合金,优于TiAl-4822合金。当特征结构元件壁厚为2 mm时,板状试样出现欠铸且内部存在大量缩松型铸造缺陷,熔体以端部固相质点聚集堵塞为主的方式停止流动。相关研究结果为中/高熵金属间化合物熔模精铸成形工艺优化和工程化应用奠定一定技术基础。

关键词：中/高熵合金金属间化合物熔模精密铸造共晶组织力学性能