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铝合金FSW/FSP搅拌区组织热稳定性研究

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铝合金FSW/FSP搅拌区组织热稳定性研究

作者：李书新东北大学

学位级别：硕士

搅拌摩擦焊接(Friction Stir Welding,简称FSW)/搅拌摩擦加工(Friction Stir Processing,简称FSP)的原理是由轴肩和搅拌针组成的焊接工具/搅拌头高速旋转将搅拌针挤入工件,通过搅拌工具与工件表面摩擦使工件局部升温软化产生强烈塑性变... 详细信息

搅拌摩擦焊接(Friction Stir Welding,简称FSW)/搅拌摩擦加工(Friction Stir Processing,简称FSP)的原理是由轴肩和搅拌针组成的焊接工具/搅拌头高速旋转将搅拌针挤入工件,通过搅拌工具与工件表面摩擦使工件局部升温软化产生强烈塑性变形和充分混合,并通过动态再结晶过程形成具有细晶组织特征的焊缝区/加工区(又称搅拌区)。一般情况下,铝合金FSW/FSP搅拌区的细晶组织在高温条件下(例如焊后热处理和电弧焊修复)热稳定性相对较低,容易发生晶粒异常长大(Abnormal Grain Growth,AGG)现象,势必会导致搅拌区金属力学性能的恶化,降低搅拌区的强度、疲劳性能、超塑性及耐蚀性。因此,如何提高搅拌区晶粒结构的热稳定性成为FSW/FSP研究领域的热点之一。当前,对于细晶结构在高温条件下发生AGG现象的成因尚不完全清楚,未有统一定论。本文对三种典型铝合金FSW/FSP搅拌区在不同高温条件下的微观组织特征和晶粒长大行为进行实验研究,并分析讨论了影响铝合金FSW/FSP搅拌区晶粒结构热稳定性的关键因素。利用FSP方法对电弧增材制造(WAAM)成形的5356合金直壁墙进行改性,粗大的沉积态组织转变为细小的等轴晶组织,继续在搅拌区(改性区)上方熔敷堆积一层金属时,轴肩影响区和过渡区发生重熔,凝固后形成沉积层;轴针影响区在热循环过程中达到的峰值温度较高,发生明显晶粒长大/晶粒异常长大;而涡流区在热循环过程中达到的峰值温度较低,微观组织无明显变化。在电弧增材过程中施加强制冷却,能有效降低峰值温度,抑制轴针影响区的晶粒长大/晶粒异常长大行为;此外,随着FSP转速(热输入)的增加,轴针影响区再结晶程度增加,搅拌区组织热稳定性提高。分别将WAAM+层间FSP工艺成形的5356合金试样进行不同条件的退火处理,利用微观组织表征手段观察和分析了搅拌区不同微区的微观组织特征和晶粒长大行为。350℃×30 min退火条件下,仅轴肩影响区的表层观察到了 AGG特征,轴针影响区和涡流区的细晶组织稳定;400℃×30 min退火条件下,在轴肩影响区和涡流区都观察到了 AGG特征,这两个区域异常长大的晶粒生长方向均指向搅拌区中部,当退火温度≥450℃时(退火时间=30 min),搅拌区被异常长大晶粒覆盖,以上结果表明:搅拌区不同微区的组织热稳定性从高到低的排序为:轴针影响区>涡流区>轴肩影响区;400℃退火不同时间(1 min-20 min)的实验结果也证明了搅拌区的轴肩影响区和涡流区的组织热稳定性相对较低。EBSD分析结果表明,搅拌区从表层到底部的组织不均匀性是导致各微区热稳定性差异的关键因素。轴肩影响区的极表层在焊接过程中经历最高温度和最大应变,晶粒细小,为再结晶和晶粒长大提供较大的驱动力,同时含有高密度的亚晶结构,因此在高温条件下率先发生再结晶;涡流区在FSP过程中受到基板的散热作用,晶粒细小且亚晶结构密度仅次于表层,因此其热稳定性也较低;由细晶组成的轴针影响区晶粒尺寸均匀,亚结构密度较低,完全再结晶的组织比例较大,因此其热稳定性最好。对42 mm厚6082-T6铝合金FSW搅拌区进行MIG补焊后,搅拌区晶粒尺寸随MIG补焊位置距离的减小略有增大,但晶粒仍保持等轴状。主要由于距离MIG焊缝越近,搅拌区受到电弧热循环的影响越大,但晶界上存在的第二相粒子对晶界产生了钉扎作用,因此搅拌区晶粒未发生异常长大。在焊速30 mm/min,主轴转速分别为1200 rpm(低热输入)和1500 rpm(高热输入)的条件下对6 mm厚7075-T6铝合金板材进行对焊,并在485℃和500℃下(固溶时间=60 min)进行固溶处理,低热输入的接头分别经过固溶处理后,轴肩影响区的表层均发生异常晶粒长大,而高热输入的接头各区组织均稳定。主要由于焊态下低热输入接头的轴肩影响区晶界上第二相粒子尺寸较小且数量多,在固溶过程中发生溶解,造成阻碍晶粒长大的钉扎力减小;而高热输入接头轴肩影响区晶界上第二相粒子尺寸较大且数量少,在固溶过程中溶解较少。此外,低热输入接头轴肩影响区的晶粒尺寸比高热输入接头的更细小,也是发生AGG的可能原因。因此,较高焊接热输入的接头搅拌区组织热稳定性更高。

关键词：铝合金 FSW/FSP 搅拌区组织热稳定性异常晶粒长大

镍铁基高温合金GH2107组织热稳定性和力学性能的研究

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镍铁基高温合金GH2107组织热稳定性和力学性能的研究

作者：杨成沈阳理工大学

学位级别：硕士

GH2107合金是一种Ni-Fe基变形高温合金,具有良好的塑韧性和冷热疲劳性,持久蠕变性能的优异性更加明显,主要应用于700-750℃工作电站当中燃气轮机涡轮工作的叶片。该合金是在GH2135合金的基础上,通过降低2%的Al+Ti含量发展而来。与其它... 详细信息

GH2107合金是一种Ni-Fe基变形高温合金,具有良好的塑韧性和冷热疲劳性,持久蠕变性能的优异性更加明显,主要应用于700-750℃工作电站当中燃气轮机涡轮工作的叶片。该合金是在GH2135合金的基础上,通过降低2%的Al+Ti含量发展而来。与其它合金相比,其不含重金属元素并且加入了大量的Fe,节约了大量的成本。本论文主要对合金长期时效后的显微组织进行观察从而分析时效温度和时间对GH2107合金组织的影响,长期时效的条件为在650℃、700℃和750℃下分别时效500h-10000h;对热处理态下的合金分别进行了瞬时拉伸和持久拉伸实验;最后探讨了微量元素B、P对合金组织变化及力学性能的影响。论文的研究结果表明:GH2107合金标准热处理态组织主要有:γ′沉淀相以及M23C6和MC两种类型的碳化物,随着时效温度和时间的增加,γ′相和晶界(主要由Cr23C6构成)都发生了明显的粗化,粗化速率随时间和温度的升高而增大,时效在温度750℃下粗化现象最为显著。当时效温度和时间达到750℃3000h或700℃5000h时,开始析出TCP相,主要呈块、片和针状分布在晶界、碳化物周围和基体内。热处理态合金的瞬时拉伸强度随温度升高而降低,塑性反之,合金的屈服强度在700℃有个明显的回升。在室温至高温的拉伸过程中,合金断口从沿晶断转向穿晶断。将持久拉伸实验获得的数据构成LMP拉伸米勒曲线,可预测其持久寿命,在700℃200MPa下合金的寿命可达十万小时,优于同类别的其它合金。B和P在室温晶界强化较弱,但在700℃下对晶界起到很好的强化作用,提高合金的性能。但当B含量较高时,会与P产生竞争机制,从而对降低合金的拉伸强度及持久寿命。P的添加会抑制裂纹在表面萌生与扩展,所以有利于合金的持久性能。

关键词： GH2107 变形高温合金组织热稳定性力学性能 B和P微合金化

排气门耐热钢组织热稳定性及其可靠性改进研究

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排气门耐热钢组织热稳定性及其可靠性改进研究

作者：鲍翔吉林大学

学位级别：硕士

在2001－2002年期间, 6110系列柴油机气门失效发生断裂的故障率高达5.4‰，且失效气门多为排气门，失效的形式主要是杆部断裂、杆部与圆盘过渡部断裂、圆盘部断裂。排气门断裂常常造成发动机捅缸等恶性事故，给用户和企业带来了较大的... 详细信息

在2001－2002年期间, 6110系列柴油机气门失效发生断裂的故障率高达5.4‰，且失效气门多为排气门，失效的形式主要是杆部断裂、杆部与圆盘过渡部断裂、圆盘部断裂。排气门断裂常常造成发动机捅缸等恶性事故，给用户和企业带来了较大的经济损失。在解决气门断裂事故和改进气门服役性能过程中，我们作了大量的气门失效分析工作。其中由于配气系统跟随性不好，气门与活塞干涉造成的断裂问题，我们称其为“飞脱”现象;由于零件制造原因，装配后气门与气门导管间隙过大或过小，引起卡滞或积碳后卡滞，引起跟随性不好，发生气门与活塞干涉造成的断裂问题;由于燃烧不好，温度过高，“过烧”造成的气门断裂或掉块问题等。在对4件典型失效排气门的分析过程中，我们发现这些排气门断裂皆为疲劳断裂，裂纹主要以沿晶断裂+穿晶脆性断裂方式扩展。尽管排气门杆部受弯曲载荷、高温燃气烧蚀是导致断裂的外界因素，但气门基体组织不稳定，在高温运行条件下，发生胞状分解，形成M23C6+γ组成的层状组织，是导致排气门断裂失效的一个非常重要的内在因素。柴油机排气门头部材料为5Cr21Mn9Ni4N（21-4N）耐热钢。作为国内外普遍使用的排气门用钢，它在高温运行过程的组织热稳定性一直是学者、制造厂商及用户关心的问题。排气门的可靠性与其组织有密切的关系，而热处理是改变控制组织的重要手段之一。许多制造厂商研究选择合适的热处理工艺，使之达到相对稳定的组织状态，以保证排气门优良的使用性能。此外，通过添加适当的合金元素对21－4N钢的热稳定性有一定的改善。使用前的组织状态对排气门的时效特性或服役性能有较大的影响，因此，21-4N钢的晶粒度、混晶度、特别是层状组织级别都被纳入常规检验。基体中存在层状组织会影响排气门的高温使用性能。但是值得注意的是即使常温下无层状组织的基体，在高温服役的过程中可能析出大量有害的片层状碳化物M23C6，降低排气门的高温使用性能。本文选择两种不同原始组织状态H及J系列的21-4N钢进行模拟等温及变温时效处理。利用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微术（SEM）及透射电子显微术（TEM）跟踪研究了时效过程中组织结构变化，并讨论了原始组织状态、不同时效特性对排气门高温服役性能的影响，确定了影响21-4N耐热钢组织热稳定性的因素。通过研究本文得出以下主要结论： H系列的21-4N钢原始组织由奥氏体基体+链状M23C6碳化物组成，奥氏体晶粒较细，碳化物分布较均匀。J系列排气门21-4N钢原始组织由奥氏体基体和粗粒状M23C6碳化物组成，奥氏体基体存在较严重的混晶，碳化物分布不均匀，在奥氏体晶粒较细的区域分布较多,反之较少。较细的基体组织或较多的晶界对裂纹的扩展有阻碍作用，呈链状分布适当大小及间距的碳化物颗粒（M23C6）对晶界有强化作用。具有粗大晶粒的基体对裂纹扩展或互相贯通有利，从而加速断裂失效过程。 21-4N钢原始组织状态直接影响其组织稳定性。在模拟时效过程中，不稳定的基体组织容易发生分解形成层状组织（M23C6+(），甚至析出片状(相。 H系列排气门21-4N钢组织较稳定，既使发生分解其组织为奥氏体基体上分布着粒状的M23C6。在较高温度及较长时间时效会析出少量的(相。J系列排气门的21-4N钢组织稳定性相对较差，在时效过程中极易发生胞状分解，形成层状组织—奥氏体基体上分布着片状或条状的M23C6及少量的(相。层状组织的形成会在奥氏体和晶界胞状相的相界处产生应力集中，促进裂纹沿相界面萌生并迅速扩展，降低晶界强化效果。高温实际服役排气门的组织结构分析结果表明，原始组织结构对21-4N钢高温服役性能有较大影响。断裂失效排气门的晶界碳化物数量较少，基体晶粒尺寸较大且不均匀，晶界上碳化物的面密度较小，因而晶界脆性裂纹容易形成和扩展，不良的原始组织状态是导致排气门过早失效的原因之一。层状组织大量形成是导致排气门过早失效的主要原因。与模拟等温时效实验结果一致，不稳定的组织在高温服役过程中发生胞状分解，形成层状组织（(+M23C6），甚至形成片状的(相。这种胞状间隙相不仅割裂了基体，使基体强度、承载能力大大降低，还极易使气门在应力集中部位萌生裂纹，甚至促进燃气沿晶腐蚀。排气门在经历了较短的疲劳扩展后发生沿晶断裂。根据失效分析和模拟研究结果，对J系列气门生产厂提出了采用进口21-4N耐热钢的要求，保证其原材料的可靠性，同时提出了对气门热处理过程进行改进，改善气门使用前的组织状态的要求。 J系列气门生产厂采用了进口21-4N耐热钢材料，经过多次生产试验，将气门的固溶处理调整为半固溶处理。对改进后的排气门进行了1000h的动态循环可靠性试验，排气门可靠性考核评价良好，将经过高温服役的气门，利用SEM进行分析，不良析出物(+M23C6大大减少。 2002年末改进后的排气门批量投产，通过对2003年社会反馈故障的统计分析，排气门断裂故障率已由过

关键词：排气门 21-4N耐热钢组织热稳定性层状组织

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7475铝合金ECAP变形及组织热稳定性

有色金属 2004年第2期56卷 31-34,121页

作者：张郑杜忠泽王经涛赵西成西安建筑科技大学冶金工程学院西安710055

研究 7475铝合金等径弯曲通道变形及组织的热稳定性。结果表明 ,5 2 3和 5 73K多道次BC 方式ECAP变形 ,7475铝合金真应变达～ 12 ,平均晶粒尺寸达到 0 3 μm和 0 5 μm。ECAP变形后获得的亚微晶组织 ,在 5 73K退火直到 8h、62 3K下退... 详细信息

研究 7475铝合金等径弯曲通道变形及组织的热稳定性。结果表明 ,5 2 3和 5 73K多道次BC 方式ECAP变形 ,7475铝合金真应变达～ 12 ,平均晶粒尺寸达到 0 3 μm和 0 5 μm。ECAP变形后获得的亚微晶组织 ,在 5 73K退火直到 8h、62 3K下退火1h、673K下退火 3 0min时 ,平均晶粒尺寸仍保持在亚微晶状态。试验条件下制备的亚微晶组织与室温ECAP组织相比 ,具有更好的组织热稳定性。

关键词：铝合金等径弯曲通道变形 ECAP 组织热稳定性亚微晶组织

Ni-Cr-Mo和Ni-Co-Cr基合金热稳定性研究

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Ni-Cr-Mo和Ni-Co-Cr基合金热稳定性研究

作者：周捷沈阳理工大学

学位级别：硕士

为实现节能减排,以缓解日益严重的环境问题与能源危机,研究具有更高效率的700℃超超临界燃煤发电机组显得尤为重要。目前世界各主要国家纷纷开展相关研究。K325与M985是中科院金属研究所研发的镍基高温合金,具有良好的抗腐蚀与抗氧化能... 详细信息

为实现节能减排,以缓解日益严重的环境问题与能源危机,研究具有更高效率的700℃超超临界燃煤发电机组显得尤为重要。目前世界各主要国家纷纷开展相关研究。K325与M985是中科院金属研究所研发的镍基高温合金,具有良好的抗腐蚀与抗氧化能力,是我国700℃先进超超临界发电机组候选材料。由于使用环境的特殊性,因此良好的热稳定性与持久性能是保证材料长期服役的关键。本文研究了K325和M985两种合金的热稳定行为。本文研究了K325合金在650℃、675℃、700℃、725℃和750℃下长期时效过程中的组织演变。合金在长期时效过程中析出强化相γ″,γ″相的平均尺寸随着时效时间的延长而长大,在温度在700℃及以下时,其γ″相的长大满足LSW理论。在合金时效过程中,随着时效时间的延长,合金在晶界处与MC碳化物周围析出δ相,δ相的产生受温度影响较大,温度越高,析出所需时间越短,粗化速率越高。研究了K325合金在长期时效过程对合金力学性能的影响,随着合金时效时间的增加,合金的屈服强度与抗拉强度呈增加趋势,而断面收缩率与延伸率都呈现下降趋势,且随着δ相析出量的增多,下降趋势更加明显。拉伸断裂以混合断裂为主,断口分布有沿晶界的裂纹。冲击性能受δ相析出影响明显,随着δ相的析出合金冲击吸收功下降明显,δ相能够降低合金韧性。造成力学性能的下降。研究了K325合金的持久后组织退化行为,合金在受到外力作用下,γ″相会加速向δ相发生转变,造成合金力学性能下降。晶界处的碳化物由于δ相的析出与长大抢占晶界碳化物的生长空间,抑制了晶界碳化物的长大。研究了M985合金的持久后组织退化行为,M985在持久过程中样品组织具有稳定性,晶粒尺寸,晶界碳化物未见有明显变化。基体中γ′相发生长大,且随着持久寿命的增加,γ′相的形貌也由球型转变为立方型。其γ′相平均尺寸由于受到外加应力的作用而不满足LSW理论。

关键词：高温合金组织热稳定性力学性能组织退化

21-4N及21-4N（Nb，V）耐热钢高温时效特性研究

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21-4N及21-4N（Nb，V）耐热钢高温时效特性研究

作者：王静大连海事大学

学位级别：硕士

5Cr21Mn9Ni4N(21-4N)是目前世界各国用来制造排气门的主要钢种，在汽车工业中获得广泛应用。使用前的组织状态对排气门的失效特性或服役性能有较大的影响，尤其基体中存在层状组织会严重影响排气门的高温使用性能。值得注意的是由于排... 详细信息

5Cr21Mn9Ni4N(21-4N)是目前世界各国用来制造排气门的主要钢种，在汽车工业中获得广泛应用。使用前的组织状态对排气门的失效特性或服役性能有较大的影响，尤其基体中存在层状组织会严重影响排气门的高温使用性能。值得注意的是由于排气门是在高温环境下工作(700-900℃)，室温下无层状析出的基体在高温服役过程中可能发生分解，形成由(γ+MC+CrN)组成的层状组织，甚至σ相。这种服役过程中产生的层状组织同样严重的影响排气门的高温使用性能，是导致排气门早期失效的主要原因之一。为探讨影响21-4N系排气门用钢组织稳定性的主要因素，根据近年失效排气门累计反馈，本文选择标准牌号的21-4N钢及改进型21-4N(Nb，V)钢(1#和2#样品)、两种不同原始组织状态标准21-4N钢(3#和4#样品)进行等温时效处理，利用X射线衍射、扫描电镜、金相显微镜等跟踪观察时效过程中组织结构变化，并进行定性及定量分析。利用透射电子显微术观察层状组织的微观形态。对不同含量层状组织的试样进行室温及高温力学性能进行测定，并观察其断口形貌。综合分析研究合金成分、原始组织状态对21-4N系耐热钢组织稳定性的影响。选择典型的失效排气门进行分析验证基体组织稳定性及其层状组织对排气门服役性能的影响。论文主要研究结果如下： (1) Nb、V的加入提高了21-4N系耐热钢的组织稳定性，改进型21-4N(Nb, V)钢在等温时效过程中基体不易发生分解，形成少量的层状组织。 (2) 原始组织状态对21-4N钢的热稳定性有较大的影响，不稳定的基体组织在等温时效过程中容易发生分解形成层状组织(MC+γ)，甚至片状σ相。 (3) 层状组织的形成降低了21-4N系耐热钢的高温强度及韧性指标。 (4) 层状组织的形成使基体的强度、承载能力大大降低，还极易使气门在应力集中部位萌生裂纹，甚至促进燃气沿晶腐蚀。服役过程中大量层状组织的形成是导致排气门过早失效的主要原因。

关键词： 21-4N系耐热钢层状组织组织热稳定性服役性能失效分析

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ECAP法制备纯铜的组织与性能

江苏科技大学学报（自然科学版） 2006年第2期20卷 85-88页

作者：石凤健江苏科技大学材料科学与工程学院江苏镇江212003

研究了纯铜等径角挤压后的组织及性能。结果表明:室温下BC方式10道次ECAP(Equal Chan-nel Angular Pressing)后,得到均匀、细小的等轴晶,平均晶粒尺寸为0.75μm,硬度从78.7 HV上升到185.3 HV。通过对不同ECAP道次后的退火试样的硬度测... 详细信息

研究了纯铜等径角挤压后的组织及性能。结果表明:室温下BC方式10道次ECAP(Equal Chan-nel Angular Pressing)后,得到均匀、细小的等轴晶,平均晶粒尺寸为0.75μm,硬度从78.7 HV上升到185.3 HV。通过对不同ECAP道次后的退火试样的硬度测量和观察组织发现,ECAP 8道次试样在433 K发生静态再结晶,且随ECAP道次的增加,开始再结晶的温度降低,再结晶软化的速率增加。说明大变形后纯铜的热稳定性下降。

关键词： ECAP 纯铜再结晶组织热稳定性