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等离子熔化沉积cr3si/TiC/Inconel 718复合材料组织及性能研究

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等离子熔化沉积Cr3Si/TiC/Inconel 718复合材料组织及性能研究

作者：刘志宏北京交通大学

学位级别：硕士

发动机涡轮盘涡轮叶片榫头部位在承受复杂应力的同时长期承受高温微动磨损,要求叶片应同时具备优异的高温持久强度及良好的高温耐磨性。单一高温合金材料不具备如此多优良性能,开发综合高温力学性能优异及高温耐磨性良好的先进高温合金... 详细信息

发动机涡轮盘涡轮叶片榫头部位在承受复杂应力的同时长期承受高温微动磨损,要求叶片应同时具备优异的高温持久强度及良好的高温耐磨性。单一高温合金材料不具备如此多优良性能,开发综合高温力学性能优异及高温耐磨性良好的先进高温合金基复合材料成为必然选择。本文以成分配比(wt.%)分别为Inconel 718-cr50.4-si9.6,Inconel 718-cr58.8-si11.2,Inconel 718-cr58.8-si11.2-Ti8.3-镍包石墨1.7,Inconel 718-cr54.6-si10.4-Ti12.5-镍包石墨2.5和Inconel 718-cr50.4-si9.6-Ti16.7-镍包石墨3.3的系列混合粉末为原料,利用等离子熔化沉积快速成形技术制备了以具有高熔点、高模量、高温硬度高、高温耐磨性优异的过渡族金属硅化物crsi为高温耐磨增强相,以具有高熔点、较负的吉布斯自由能、适中的密度、高硬度、高模量、优异的耐磨性及热稳定性的金属陶瓷相Ti C为联合增强相,以镍基高温合金Inconel 718为基体的高温高强耐磨高温合金基复合材料,以期满足涡轮叶片苛刻的服役环境。本文采用XRD、OM、SEM、EDS等手段分析了粉末原材料和复合材料的物相组成及复合材料的显微组织结构,探讨了混合粉末成分配比及等离子熔化沉积工艺参数对复合材料显微组织的影响规律;利用显微硬度计测试了复合材料的平均显微硬度;利用SRV型高温磨损试验机测试了复合材料的高温干滑动摩擦磨损性能,利用SEM、EDS及三维白光干涉表面形貌仪观察分析了复合材料磨损表面成分及形貌和三维磨痕形貌,探讨了复合材料的高温磨损机理。结果表明:采用粉末成分为Inconel 718、cr粉、si粉所制备复合材料的显微组织主要由crsi、crNisi和γ(Ni,Fe)组成;采用粉末成分为Inconel 718、cr粉、si粉、Ti粉、镍包石墨粉所制备复合材料的显微组织主要由初生Ti C、crsi、crNisi及γ-(Ni,Fe)固溶体组成。当粉末成分配比为Inconel 718-cr50.4-si9.6(wt.%)和Inconel 718-cr58.8-si11.2(wt.%)时,复合材料的显微组织特征为不规则片状、鱼骨状、十字花瓣状crsi增强相均匀分布在crNisi/γ(Ni,Fe)共晶基体上。当粉末成分配比为Inconel 718-cr58.8-si11.2-Ti8.3-镍包石墨1.7(wt.%)、Inconel718-cr54.6-si10.4-Ti12.5-镍包石墨2.5(wt.%)和Inconel 718-cr50.4-si9.6-Ti16.7-镍包石墨3.3(wt.%)时,复合材料的显微组织中观察到颗粒状、不规则团簇状以及雪花状的先析出Ti C,以先析出Ti C颗粒为形核核心,在其周围析出了不规则片状、鱼骨状、十字花瓣状crsi,Ti C和crsi弥散分布在crNisi/γ(Ni,Fe)共晶基体上。与等离子熔化沉积Inconel 718对比样相比,复合材料的平均显微硬度显著提高,粉末成分配比为Inconel 718-cr50.4-si9.6(wt.%)、Inconel 718-cr58.8-si11.2(wt.%)、Inconel 718-cr58.8-si11.2-Ti8.3-镍包石墨1.7(wt.%)、Inconel 718-cr54.6-si10.4-Ti12.5-镍包石墨2.5(wt.%)和Inconel 718-cr50.4-si9.6-Ti16.7-镍包石墨3.3(wt.%)的复合材料的平均显微硬度分别为对比样的2.40倍、2.55倍、2.82倍、2.97倍和3.20倍。在相同高温干滑动磨损条件试验下,采用不同粉末成分配比所制备的5种复合材料的摩擦系数和磨损失重均显著低于等离子熔化沉积Inconel 718对比样,其中粉末成分配比为Inconel 718-cr50.4-si9.6-Ti16.7-镍包石墨3.3(wt.%)的复合材料表现出最低的摩擦系数和最小的磨损失重;随着复合材料中crsi含量的增加,复合材料的相对耐磨性相应提高;复合材料磨损机理为较轻的磨粒磨损、氧化磨损和黏着磨损,其良好的高温耐磨性得益于高温耐磨增强相crsi和Ti C的高温抗磨骨干作用以及高温强韧性优异的Inconel 718基体的粘结和支撑作用。同时,复合材料具有良好的高温抗氧化性能。

关键词：等离子熔化沉积快速成形 cr3si TiC 高温合金基复合材料高温磨损高温氧化

激光熔炼/快速凝固γ/cr_3si金属硅化物“原位”复合材料研究

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稀有金属材料与工程 2003年第2期32卷 121-125页

作者：段刚赵海云王华明北京航空航天大学北京100083

以cr-si-Ni合金粉末为原料,利用激光熔炼/快速凝固材料制备技术,制得了由金属硅化物cr3si及少量镍基固溶体γ组成的新型快速凝固γ/cr3si金属硅化物“原位”复合材料,该γ/cr3si金属硅化物“原位”复合材料显微组织由快速凝固初生cr3si... 详细信息

以cr-si-Ni合金粉末为原料,利用激光熔炼/快速凝固材料制备技术,制得了由金属硅化物cr3si及少量镍基固溶体γ组成的新型快速凝固γ/cr3si金属硅化物“原位”复合材料,该γ/cr3si金属硅化物“原位”复合材料显微组织由快速凝固初生cr3si树枝晶及枝晶间少量镍基固溶体γ/cr3si共晶组织组成。cr3si金属硅化物初生树枝晶体积分数随镍含量增加而减少,枝晶间γ/cr3si共晶组织体积分数随镍含量增加而增加。该激光熔炼/快速凝固γ/cr3si金属硅化物“原位”复合材料具有很高的硬度,并由于组织中韧性相镍基固溶体的存在及其细小均匀的快速凝固组织特征,而可望具有优良的强韧性配合。

关键词：复合材料过渡金属硅化物 cr3si 激光熔炼/快速凝固显微组织

激光熔敷cr_2Ni_3si/cr_3si金属硅化物复合材料涂层组织与高温耐磨性

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稀有金属材料与工程 2003年第5期32卷 394-397页

作者：段刚王华明北京航空航天大学北京100083

以cr-si-Ni高纯预合金化粉末为原料、利用激光熔敷技术在奥氏体不锈钢1cr18Ni9Ti表面上制得了以金属硅化物cr3si为增强相、以复杂多元金属硅化物cr2Ni3si为基体的快速凝固金属硅化物复合材料冶金涂层,分析了该涂层的显微组织,在高温滑... 详细信息

以cr-si-Ni高纯预合金化粉末为原料、利用激光熔敷技术在奥氏体不锈钢1cr18Ni9Ti表面上制得了以金属硅化物cr3si为增强相、以复杂多元金属硅化物cr2Ni3si为基体的快速凝固金属硅化物复合材料冶金涂层,分析了该涂层的显微组织,在高温滑动磨损条件下测试了其耐磨性能。研究结果表明,cr3si金属硅化物的体积分数对激光熔敷cr2Ni3si/cr3si复合材料涂层的硬度和高温耐磨性有显著影响。由于涂层中硬质耐磨相cr3si的抗磨骨干作用,在高温滑动磨损条件下该涂层具有优良的耐磨性能。

关键词：过渡金属硅化物 cr3si 涂层激光熔敷显微组织高温磨损

激光熔敷cr_3si/cr_2Ni_3si复合材料涂层组织与耐磨性研究

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复合材料学报 2002年第1期19卷 32-36页

作者：段刚赵海云王华明北京航空航天大学材料学院激光材料加工与表面工程实验室北京100083

以 cr- si- Ni合金粉末为原料、利用激光熔敷技术在 A 3低碳钢表面上制得了以金属硅化物 cr3si为增强相 ,以 cr2 Ni3si复杂金属硅化物为基体的快速凝固 cr3si/ cr2 Ni3si复合材料冶金涂层 ,分析了该涂层的显微组织 ,并分别在干滑动磨损... 详细信息

以 cr- si- Ni合金粉末为原料、利用激光熔敷技术在 A 3低碳钢表面上制得了以金属硅化物 cr3si为增强相 ,以 cr2 Ni3si复杂金属硅化物为基体的快速凝固 cr3si/ cr2 Ni3si复合材料冶金涂层 ,分析了该涂层的显微组织 ,并分别在干滑动磨损及二体磨料磨损条件下测试了该涂层的耐磨性能。研究结果表明 ,由于激光熔敷 cr3si/cr2 Ni3si快速凝固复合材料涂层组织细小、均匀 ,在滑动磨损过程中不易与对偶件粘着、在磨料磨损过程中具有很高的抗切削抗剥落能力。

关键词：过渡金融硅化物 cr3si 激光熔敷显微组织耐磨性 cr2Ni3si 金属表面处理涂层材料复合材料

激光熔敷cr_3si/cr_2Ni_3si金属硅化物涂层耐磨性与耐蚀性研究

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摩擦学学报 2002年第4期22卷 245-249页

作者：段刚王华明北京航空航天大学材料学院激光材料加工与表面工程实验室北京100083

以 cr- si- Ni预合金化粉末为原料 ,采用激光熔敷技术在 1cr18Ni9Ti不锈钢表面制备出以金属硅化物 cr3si为增强相、以复杂多元金属硅化物 cr2 Ni3si为基体的快速凝固金属硅化物冶金涂层 ,在滑动磨损条件下评价了其耐磨性能 ,并采用阳极... 详细信息

以 cr- si- Ni预合金化粉末为原料 ,采用激光熔敷技术在 1cr18Ni9Ti不锈钢表面制备出以金属硅化物 cr3si为增强相、以复杂多元金属硅化物 cr2 Ni3si为基体的快速凝固金属硅化物冶金涂层 ,在滑动磨损条件下评价了其耐磨性能 ,并采用阳极极化方法分别评价了该涂层在 0 .5 mol/L 的 H2 SO4 及 3.5 % Na Cl溶液中的电化学耐蚀性能 .结果表明 ,在滑动磨损条件下 ,所研制的涂层具有优异的耐磨性能 ,在 0 .5 mol/L的 H2 SO4 及 3.5 % Na Cl水溶液中具有优良的电化学耐蚀性能 ,这归因于其组成相 cr3si及 cr2 Ni3si的优异耐磨耐蚀性 ,以及非平衡快速凝固过程导致的组织细化、致密化和均匀化 .

关键词：耐磨性耐蚀性过渡金属硅化物 cr3si 激光熔敷磨损腐蚀涂层

压力对cr_3si机械稳定性和韧脆性影响的第一性原理研究

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河南科技 2019年第1期38卷 50-54页

作者：吕仕莲陈少波张殿喜闫万珺陈英安顺学院电子与信息工程学院贵州安顺561000

本文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,对不同压力下cr_3si的机械稳定性和韧脆性进行研究。通过计算cr_3si在不同压力下的弹性常数、体积模量、剪切模量、泊松比来分析cr_3si的机械稳定性和韧脆性质。根据波恩准则判断,cr_3si在研... 详细信息

本文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,对不同压力下cr_3si的机械稳定性和韧脆性进行研究。通过计算cr_3si在不同压力下的弹性常数、体积模量、剪切模量、泊松比来分析cr_3si的机械稳定性和韧脆性质。根据波恩准则判断,cr_3si在研究压力范围内,满足机械稳定性条件。结果表明,当压力为0～4GPa时,cr_3si化合物表现为脆性,当压力大于4GPa以后,cr_3si化合物表现为韧性。

关键词： cr3si 第一性原理机械稳定性韧脆性

高cr铸造镍基高温合金K4648与陶瓷型芯的界面反应研究

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航空材料学报 2012年第3期32卷 10-22页

作者：郑亮肖程波张国庆顾国红李鑫刘晓光薛明唐定中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

采用金相显微镜、扫描电镜及能谱、电子探针和X射线衍射对高cr铸造镍基高温合金K4648等轴晶和定向凝固铸件的合金/陶瓷型芯界面反应进行了系统研究,获得反应时间与反应量关系的界面反应动力学曲线、不同反应时间的反应界面形貌及产物的... 详细信息

采用金相显微镜、扫描电镜及能谱、电子探针和X射线衍射对高cr铸造镍基高温合金K4648等轴晶和定向凝固铸件的合金/陶瓷型芯界面反应进行了系统研究,获得反应时间与反应量关系的界面反应动力学曲线、不同反应时间的反应界面形貌及产物的种类。结果表明:高cr铸造镍基高温合金K4648与铝基型芯不易发生反应,而与硅基陶瓷型芯发生剧烈的界面反应,反应产生金属瘤状凸起物,造成铸件内腔破坏。此外,白色的硅基型芯内部变成黑色,黑色反应区内含有一定量的cr,Al,Ti元素。在反应的中、后期型芯黑色反应区内还存在着灰色区,该区的cr,Al,Ti含量远高于黑色反应区。高cr铸造镍基高温合金K4648合金与硅基陶瓷型芯反应分为:(1)富cr,Al,Ti熔体向型芯内的渗入阶段;(2)富cr,Al,Ti熔体与陶瓷型芯siO2基体的反应;(3)富cr,Al,Ti的熔体与型芯中Zr-siO4颗粒反应三个阶段。反应过程中型芯存在局部液化现象。K4648合金/硅基陶瓷型界面反应产物主要为层状或树枝状Al2O3,块状cr3si金属间化合物、ZrO2,富cr,Zr,Al,Ti的复合氧化物、共晶形态的富cr,si,Al,Ti的复合氧化物、块状或树枝状的富Ti,Al,Zr,cr复合氧化物。反应产物中的cr,Al,Ti元素来自合金熔体而Zr,si,O来自陶瓷型芯。

关键词：镍基高温合金陶瓷型芯界面反应定向凝固显微组织 K4648 cr3si Al2O3

纯铜表面激光熔覆Ni基硅化物涂层摩擦学性能研究

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中国激光 2015年第9期42卷 224-230页

作者：刘晓鹏张培磊卢云龙闫华于治水上海工程技术大学材料工程学院上海201620 上海工程技术大学高强激光智能加工装备关键技术产学研开发中心上海201620

采用激光熔覆技术在纯铜表面制备cr3si+γ-Ni+Ni2si(45Ni-26cr-29si)和Ni16cr6si7+Ni2si(60Ni-10cr-30si)(原子数分数,%)两种Ni基硅化物涂层。利用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、能谱仪(EDS)、分析涂层不同的组织结构以及其形成原因。测试涂层的室温摩擦磨损性能。结果表明:组织为cr3si+γ-Ni+Ni2si的涂层,平均硬度为1000 HV,500 g载荷下压痕边角出现裂纹,平均摩擦系数为0.5;组织为Ni16cr6si7+Ni2si的涂层,平均硬度为900 HV;1000 g载荷下压痕边角没有裂纹产生,韧性较好,平均摩擦系数为0.5。

关键词：材料耐磨性激光熔覆 cr3si Ni16cr6si7

微量cr对Cu-2Ni-0.8Co-0.65si合金性能组织的影响

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微量Cr对Cu-2Ni-0.8Co-0.65Si合金性能组织的影响

作者：黄富南昌大学

学位级别：硕士

Cu-Ni-si系列合金具有高强高导的性能被广泛的应用于电子元器件等行业。但是随着社会和科技的发展,新的元器件会对材料提出更高的要求,所以得开发出性能更优秀的合金。例如新开发出的Cu-Ni-Co-si系列合金具有更优秀的综合性能。为了进... 详细信息

Cu-Ni-si系列合金具有高强高导的性能被广泛的应用于电子元器件等行业。但是随着社会和科技的发展,新的元器件会对材料提出更高的要求,所以得开发出性能更优秀的合金。例如新开发出的Cu-Ni-Co-si系列合金具有更优秀的综合性能。为了进一步开发新的合金,本文设计含铬的Cu-Ni-Co-si合金,探究铬对Cu-2Ni-0.8Co-0.65si合金性能组织的影响。本文采用真空熔炼的方法制备了 Cu-2Ni-0.8Co-0.65si、Cu-2Ni-0.8Co-0.65si-0.2cr和Cu-2Ni-0.8Co-0.65si-0.4cr三种合金。研究了不同热处理工艺对合金的电导率、硬度、金相以及TEM组织的影响,得到以下结论:（1）铬的添加会降低Cu-2Ni-0.8Co-0.65si合金的电导率以及减少铸态组织的偏析。（2）含铬的合金在低温下时效的电导率和硬度比未含铬的合金低,而且增加到达硬度峰值所需的时效时间,提高时效温度或者冷变形后再时效,差距缩小。（3）根据电导率求出的时效动力学曲线和析出激活能,铬的添加会增加时效析出激活能,降低沉淀转化率,而且铬含量越高,析出激活能越高。（4）铬的添加对冷轧态的Cu-2Ni-0.8Co-0.65si合金的DP区面积占比影响极大。因为铬的添加会阻碍不连续沉淀界面的迁移,从而抑制不连续沉淀区域的扩张。（5）3种合金在时效过程中析出的沉淀相为β-Ni3si和δ-（Ni,Co）2si,它们与基体的取向关系分别为:（220）Cu∥（020）δ,（220）Cu∥（100）δ,（020）Cu∥（010）β,（200）Cu∥（100）β,[001]Cu∥[001]δ,[001]Cu∥[001]β。0.2wt.%?0.4wt.%的铬对Cu-2Ni-0.8Co-0.65si合金中镍钴硅沉淀相的存在方式及取向关系没有影响,但是铬会抑制镍钴硅沉淀相的长大。（6）500℃下时效1h的Cu-2Ni-0.8Co-0.65si-0.4cr合金的衍射斑点中出现体心立方铬的斑点,而Cu-2Ni-0.8Co-0.65si-0.2cr合金中并没有出现,即铬的含量会影响铬在时效过程中的演变。（7）根据元素分布图及HRTEM,两种含铬合金时效中后期都存在富铬相,富铬相至少包含crsi和cr3si两种。再根据电子衍射斑点,可以推断Cu-2Ni-0.8Co-0.65si-0.4cr合金时效过程中的铬存在以下演变:固溶体→体心立方铬→富铬相（至少两种:crsi和cr3si）。

关键词： Cu-Ni-Co-si-cr cr3si crsi 时效