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高温合金超限构件精密铸造技术及发展趋势

金属学报 2022年第4期58卷 412-427页

作者：孙宝德王俊康茂东汪东红董安平王飞高海燕王国祥杜大帆上海交通大学材料科学与工程学院上海市先进高温材料及其精密成形重点实验室上海200240 上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室上海200240 上海工程技术大学材料工程学院高温合金精密成型研究中心上海201620

高温合金铸件是航空航天重大装备中不可或缺的热端部件,正向尺寸更大、结构更复杂和壁厚更薄的方向发展,对其内部冶金质量和外部尺寸精度的要求也愈加严苛,逐渐超出了传统熔模精密铸造技术的成型极限。疏松缺陷控制、薄壁完整充型、尺... 详细信息

高温合金铸件是航空航天重大装备中不可或缺的热端部件,正向尺寸更大、结构更复杂和壁厚更薄的方向发展,对其内部冶金质量和外部尺寸精度的要求也愈加严苛,逐渐超出了传统熔模精密铸造技术的成型极限。疏松缺陷控制、薄壁完整充型、尺寸精度和表面质量控制已经成为大型复杂薄壁高温合金铸件制造的关键难题。本文系统综述了国内外高温合金铸造工艺设计、模壳制备、全流程尺寸精度和调压成型技术的研究现状,并对基于大数据的铸造智能化发展趋势进行了分析与展望。

关键词：高温合金工艺设计熔模铸造调压铸造全流程尺寸发展趋势

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高温合金籽晶材料对单晶外延生长的影响

中国有色金属学报 2023年第2期33卷 445-454页

作者：马德新赵运兴徐维台李重行玄伟东深圳万泽中南研究院有限公司深圳518045 中南大学粉末冶金研究院长沙410083 上海大学材料科学与工程学院上海200072

使用两种高代次的单晶高温合金DD5(简称D)和WZ30(简称W)进行了4种不同的籽晶材料−铸造材料的组合,进行单晶试棒铸件制备。结果表明:当籽晶材料和铸造材料相同时,不论是D-D还是W-W组合,都可得到良好的单晶外延生长。在采用WZ30作异质籽晶... 详细信息

使用两种高代次的单晶高温合金DD5(简称D)和WZ30(简称W)进行了4种不同的籽晶材料−铸造材料的组合,进行单晶试棒铸件制备。结果表明:当籽晶材料和铸造材料相同时,不论是D-D还是W-W组合,都可得到良好的单晶外延生长。在采用WZ30作异质籽晶的W-D组合中,也可得到晶向良好的高温合金单晶铸件。但在采用DD5作异质籽晶的D-W组合中,则会形成极不稳定的回熔界面,并出现大量杂乱晶粒。其原因可能是D-W组合中合金下小上大的密度差造成强烈的液体对流,严重影响了籽晶的正常回熔和单晶的外延生长。本工作的研究结果证明,利用籽晶法生产高代次的单晶高温合金铸件是可以实现的,抗氧化性能的高低对于异质籽晶材料的选取并不重要,重要的是籽晶材料的密度不能小于铸造合金。

关键词：高温合金籽晶单晶凝固外延生长

高温合金蜂窝芯高速铣削材料去除机理与损伤行为

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机械工程学报 2022年第23期58卷 284-295页

作者：史兰宇王晨光陈杰郭国强黄文斌安庆龙明伟伟陈明上海交通大学机械与动力工程学院上海200240 上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室上海200240 上海航天精密机械研究所上海201600

高温合金蜂窝芯材料具有高比刚度、轻质和能量吸收特性好等优异性能,被视为下一代高超声速飞行器热防护结构极具潜力的材料。高速铣削是高温合金蜂窝芯零件成型过程中重要的减材制造工艺,在蜂窝芯材料高速铣削时,蜂窝芯材料面内刚度低... 详细信息

高温合金蜂窝芯材料具有高比刚度、轻质和能量吸收特性好等优异性能,被视为下一代高超声速飞行器热防护结构极具潜力的材料。高速铣削是高温合金蜂窝芯零件成型过程中重要的减材制造工艺,在蜂窝芯材料高速铣削时,蜂窝芯材料面内刚度低且高温合金塑性好,较小的切削力就会使蜂窝壁产生较大的塑性变形,导致蜂窝芯加工精度较低、加工损伤难以控制,对后续焊接、装配等工序产生不利影响。基于有限元仿真对蜂窝壁切削材料去除机理进行了深入研究,探索了铣削参数、刀具类型和铣削方式对铣削过程中铣削力和加工损伤的影响。研究结果表明,蜂窝壁切入角是影响蜂窝芯材料切削加工过程中瞬时应力分布和成屑机理的关键性因素。得到了铣削参数、刀具类型和铣削方式对高温合金蜂窝芯加工过程中加工损伤的影响规律。对于铣削参数,过大的进给量会导致芯格变形等加工损伤,降低切削速度会提高微小毛刺等加工损伤发生的频率;本文采用的三种刀具的对比结果表明,立式铣刀加工质量最好。插铣方式会产生明显的轴向冲击,而侧铣方式可以有效避免轴向冲击。研究成果为高温合金蜂窝芯低损伤高性能加工提供了理论依据和工艺技术储备。

关键词：蜂窝芯高温合金铣削材料去除机理加工损伤

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高温合金蜂窝芯冰固持低损伤加工技术研究

中国机械工程 2022年第5期33卷 577-582页

作者：姜少玮王永青刘阔武晓会杨子健杨月冰于清波杨晓龙大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室大连116024 北京星航机电装备有限公司北京100074

针对金属蜂窝芯存在的薄壁多孔、各向异性、面内弱刚性、径向强度小等加工难题,提出了高温合金蜂窝芯冰固持低损伤加工方法。分析了金属蜂窝芯冰固持装夹原理,验证了工艺系统的适应性和可靠性。开展了蜂窝芯冰固持超低温冷却加工的单因... 详细信息

针对金属蜂窝芯存在的薄壁多孔、各向异性、面内弱刚性、径向强度小等加工难题,提出了高温合金蜂窝芯冰固持低损伤加工方法。分析了金属蜂窝芯冰固持装夹原理,验证了工艺系统的适应性和可靠性。开展了蜂窝芯冰固持超低温冷却加工的单因素试验,阐明了蜂窝芯加工缺陷形成规律。试验结果表明:在金属蜂窝芯加工中引入冰固持超低温冷却的装夹和加工方式,可降低切削热,实现加工过程中的固持约束保持,从而提高蜂窝壁抵抗变形的能力;切削参数中进给速度对加工质量影响最大,加工缺陷中撕裂毛刺占比最高,采用最优切削参数进行加工可保证低损伤、低粗糙度、无变形的良好加工质量,可实现难加工金属蜂窝芯的高质高效加工。

关键词：蜂窝芯冰固持超低温冷却高温合金人工冰

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高温合金超薄板循环塑性本构模型适用性研究

材料工程 2021年第11期49卷 147-155页

作者：王彦菊李神龙贺炜林沙爱学贾崇林孟宝万敏中国航发北京航空材料研究院应用评价中心北京100095 中国航发长江动力有限公司研发中心湖南岳阳414000 北京航空航天大学机械工程及自动化学院北京100191 中国航发北京航空材料研究院先进高温结构材料重点实验室北京100095

高温合金具有优良的综合性能,是航空发动机高性能构件的首选材料。由于高温合金带材屈服强度高、壁厚超薄、回弹明显、构件成形精度难以控制,因此研究现有循环本构模型对于高温合金带材变形预测的适用性具有重要意义。基于循环剪切实验... 详细信息

高温合金具有优良的综合性能,是航空发动机高性能构件的首选材料。由于高温合金带材屈服强度高、壁厚超薄、回弹明显、构件成形精度难以控制,因此研究现有循环本构模型对于高温合金带材变形预测的适用性具有重要意义。基于循环剪切实验,研究了不同循环塑性本构模型(Armstrong-Frederick(A-F)模型、Yoshida-Uemori(Y-U)模型和the anisotropic nonlinear kinematic(ANK)模型)对高温合金超薄带材循环塑性变形响应的表征效果。同时,通过U形弯实验和有限元仿真结果的对比,分析了不同屈服准则(Hill48,Barlat89和YLD2000-2d)结合不同循环塑性模型对于回弹预测的影响。结果表明,采用Y-U模型对高温合金超薄板循环塑性变形行为的表征能力最好,A-F和ANK模型次之。采用Y-U模型对回弹的预测精度高于各向同性模型和A-F模型,而屈服准则对回弹预测精度的影响不大,采用基于Hill48和YLD2000-2d屈服准则的Y-U模型,回弹预测误差可以控制在5%以内。

关键词：高温合金循环塑性本构模型循环剪切实验回弹预测 Y-U模型

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高温合金矩形波纹管液压胀形变形特征

塑性工程学报 2022年第8期29卷 36-46页

作者：吕志勇刘静李兰云左星煜李懿曌西安石油大学材料科学与工程学院材料加工工程重点实验室陕西西安710065 西安恒热热力技术有限责任公司陕西西安710016 西安航天动力研究所陕西西安710100

为探究矩形波纹管液压胀形的变形特征,基于ABAQUS/Explicit有限元平台建立了矩形波纹管液压胀形过程的三维有限元模型,通过有限元仿真揭示了矩形波纹管液压胀形过程中直线段、过渡圆角段的变形特征,获得了主要工艺参数对成形质量的影响... 详细信息

为探究矩形波纹管液压胀形的变形特征,基于ABAQUS/Explicit有限元平台建立了矩形波纹管液压胀形过程的三维有限元模型,通过有限元仿真揭示了矩形波纹管液压胀形过程中直线段、过渡圆角段的变形特征,获得了主要工艺参数对成形质量的影响。结果表明,从矩形波纹管直线段向过渡圆角段方向路径上看,波高呈连续递减趋势,且在过渡圆角段最小;最大壁厚减薄率和等效塑性应变均出现在过渡圆角段中间位置波峰处。过渡圆角半径、成形内压力、模片间距对波高和周向壁厚减薄率影响较大,且呈正比关系。在相同壁厚减薄率下,模片间距对波高的影响大于成形内压力。

关键词：高温合金矩形波纹管液压胀形数值模拟工艺参数

高温合金单晶铸件中形状因素对雀斑缺陷的影响

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稀有金属材料与工程 2021年第12期50卷 4357-4364页

作者：马德新深圳市万泽中南研究院有限公司广东深圳518004 中南大学粉末冶金研究院湖南长沙410083

通过对单晶高温合金铸件中雀斑缺陷的观察研究,发现铸件横截面和纵截面的形状都对雀斑的形成产生很大的影响。铸件横截面形状的影响表现为棱角和曲率效应,即雀斑容易出现在外凸形的棱角(夹角180°)和曲面(曲率为负)。其原因在于糊状区... 详细信息

通过对单晶高温合金铸件中雀斑缺陷的观察研究,发现铸件横截面和纵截面的形状都对雀斑的形成产生很大的影响。铸件横截面形状的影响表现为棱角和曲率效应,即雀斑容易出现在外凸形的棱角(夹角180°)和曲面(曲率为负)。其原因在于糊状区液体流动的附壁效应会在铸件外凸和内凹部位分别发生叠加和发散,从而分别促进和减弱雀斑的生成倾向。另外,铸件纵截面形状变化对雀斑的影响表现为收扩效应,即沿凝固方向呈收缩型和扩张型的外表面对雀斑的影响完全相反,分别起到强烈的促进和抑制作用。结果表明,上述的铸件形状因素对雀斑的作用远远超过了凝固条件的影响。不同代次单晶高温合金的实验结果表明,合金中Re元素含量的提高能明显增加铸件中的雀斑缺陷。

关键词：雀斑高温合金定向凝固单晶

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高温合金单晶铸件中条纹晶的形成机制

金属学报 2020年第3期56卷 301-310页

作者：马德新王富徐维台徐文梁赵运兴深圳万泽中南研究院深圳518045 中南大学粉末冶金研究院长沙410083 西安交通大学机电工程学院西安710049

对高温合金单晶叶片铸件中条纹晶起源处的微观组织进行了观察分析,提出了这种晶粒缺陷的产生机理。通过微观检测确认了条纹晶的出现是由于铸件表面单个枝晶主干在糊状区内被撕断,但又被残余液体焊合,呈现出明显的起点。导致这种撕裂的... 详细信息

对高温合金单晶叶片铸件中条纹晶起源处的微观组织进行了观察分析,提出了这种晶粒缺陷的产生机理。通过微观检测确认了条纹晶的出现是由于铸件表面单个枝晶主干在糊状区内被撕断,但又被残余液体焊合,呈现出明显的起点。导致这种撕裂的主要原因是型壳粘连引起的枝晶收缩严重受阻或是由夹杂切割引起的枝晶强度严重受损,从而形成了条纹晶缺陷产生的2种主要机制。撕裂后的枝晶会发生一定程度的整体偏转,在基体组织上形成一个由小角度晶界封闭而成的狭长晶粒。比较了条纹晶与其它晶粒缺陷的相似和不同之处,并讨论了减少条纹晶缺陷应该采取的工艺措施。

关键词：条纹晶高温合金单晶叶片晶体缺陷

高温合金CMSX–4和DD419单晶铸件中共晶含量的试验研究

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航空制造技术 2022年第17期65卷 74-80页

作者：赵运兴员莹莹马德新徐维台徐福泽魏冰中南大学粉末冶金研究院长沙410083 深圳市万泽中南研究院有限公司深圳518045

使用两种第二代镍基高温合金CMSX–4和DD419在相同工艺条件下制备相同形状的单晶叶片和试板铸件,检验铸件的铸态和固溶热处理态组织。结果表明,两种合金虽然化学成分相似,但CMSX–4合金铸态组织中的γ/γ′共晶分数比DD419高出约39%,固... 详细信息

使用两种第二代镍基高温合金CMSX–4和DD419在相同工艺条件下制备相同形状的单晶叶片和试板铸件,检验铸件的铸态和固溶热处理态组织。结果表明,两种合金虽然化学成分相似,但CMSX–4合金铸态组织中的γ/γ′共晶分数比DD419高出约39%,固溶热处理后的残余共晶含量也相应更多,存在残余共晶含量超过技术标准的风险。CMSX–4合金叶片铸件中共晶组织在不同部位的分布呈现更明显的不均匀性,这些都对单晶叶片的机械性能产生不利影响。

关键词：高温合金单晶叶片共晶组织铸态热处理态