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k418高温合金下引式热型连铸温度场模拟

上海金属 2019年第3期41卷 89-95页

作者：周正华杨帆屠挺生蒋丹青任忠鸣省部共建高品质特殊钢冶金与制备国家重点实验室上海200444 上海市钢铁冶金新技术开发应用重点实验室上海200444 上海大学材料科学与工程学院上海200444

建立了镍基k418高温合金下引式热型连铸(OCC)凝固过程温度场模型,采用试验与ProCAST模拟相结合的方法修正了界面换热系数条件,使模拟结果与试验结果的最大差异不超过4%,可以较好地模拟实际凝固过程温度场。模拟结果表明:当浇注温度从146... 详细信息

建立了镍基k418高温合金下引式热型连铸(OCC)凝固过程温度场模型,采用试验与ProCAST模拟相结合的方法修正了界面换热系数条件,使模拟结果与试验结果的最大差异不超过4%,可以较好地模拟实际凝固过程温度场。模拟结果表明:当浇注温度从1460℃升高到1540℃时,两相区宽度由15mm减小到10mm,温度梯度从33k/cm增大到40k/cm;当冷却距离由13mm增大到33mm时,两相区宽度从12mm增大到16mm,温度梯度从28k/cm降低到23k/cm;当平均拉坯速度从9mm/min增大到18mm/min时,两相区宽度从12mm增大到15mm;当温度梯度从35k/cm减小到25k/cm、拉速增大到36mm/min时,固液界面位置下移到BN铸型出口处,有拉断、漏钢的风险。k418高温合金铸锭(?10mm)合理的下引式热型连铸制备参数范围为:熔体浇注和BN铸型温度1500~1540℃,冷却距离23mm,平均拉坯速度9~18mm/min。

关键词： k418高温合金下引式热型连铸 ProCAST 温度场数值模拟

k418高温合金热型连铸过程数值模拟与实验研究

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K418高温合金热型连铸过程数值模拟与实验研究

作者：周正华上海大学

学位级别：硕士

镍基铸造高温合金作为目前在各种航空、航天用发动机上高温热端部件的主要材料,具有非常重要应用价值。而k418高温合金作为目前用量最大的铸造高温合金,以其为研究对象,具有现实意义。目前采用传统的真空模铸工艺得到的高温合金母合金... 详细信息

镍基铸造高温合金作为目前在各种航空、航天用发动机上高温热端部件的主要材料,具有非常重要应用价值。而k418高温合金作为目前用量最大的铸造高温合金,以其为研究对象,具有现实意义。目前采用传统的真空模铸工艺得到的高温合金母合金锭存在中心缩孔、疏松以及偏析等众多问题,与传统模铸相比,热型连铸工艺可制得纯净、组织致密和低偏析的铸坯,因此,将热型连铸技术引入到高温合金的制备领域中来具有十分重要的意义。热型连铸技术需要严格控制其传热和凝固过程,因此有必要使用数值模拟技术为精确控制传热和凝固过程提供指导。本文采用基于有限元方法的ProCAST软件,模拟了镍基高温合金k418热型连铸过程中的温度场和微观组织演变。微观组织模拟采用CAFE技术,其中形核过程采用基于高斯分布函数的连续形核模型,枝晶尖端生长过程采用kGT模型。通过实验校正,获得了准确的边界条件及形核参数为后续模拟研究奠定基础,在此基础上,深入分析了工艺参数对热型连铸过程温度场和微观组织演变的影响,最后,实验成功热型连铸k418高温合金工艺,连铸出致密、成分均匀分布和组织细密的连铸棒,进而研究了不同工艺参数条件对k418高温合金连铸坯一次枝晶、二次枝晶、γ′相、碳化物以及力学性能的影响。主要结论如下:(1)通过温度场实验结果与模拟结果反复校核直至二者较为吻合,获得准确的边界条件,为后续温度场模拟奠定基础;在温度场模拟结果的基础上,进而通过微观组织实验结果校核模拟结果获得准确的形核和生长动力学参数,为后续微观组织计算奠定基础。(2)在本模拟条件下,k418高温合金(Φ10 mm)热型连铸合理的制备参数范围如下:熔体浇注和BN铸型温度1500540℃,冷却距离23 mm,平均拉坯速度98 mm/min。(3)在本模拟条件下,k418高温合金(Φ10 mm)热型连铸过程中,随着浇注温度的升高,晶粒淘汰的趋势有所减弱;随着拉坯速度的提高,晶粒的淘汰趋势明显增加。工艺参数的改变只会加强或减弱晶粒淘汰的速度,但不会对晶粒淘汰的总体趋势造成影响。(4)在本实验条件下,k418高温合金(Φ10 mm)热型连铸过程中随着拉坯速度由9 mm/min提高到18 mm/min,合金的一次枝晶间距由187μm减小到178μm,二次枝晶间距由46μm减小到34μm,枝晶干γ′相尺寸由304 nm减小到216 nm,枝晶间γ′相尺寸由340 nm减小到320 nm,枝晶间MC碳化物面积分数由1.14%减小到1.08%,室温抗拉强度由1132 MPa提高到1180 MPa,延伸率由12.5%提高到19%;随着温度梯度由26℃/cm提高到37℃/cm至46℃/cm,合金的一、二次枝晶间距逐渐减小,一次枝晶间距依次为:221μm、187μm、174μm,二次枝晶间距依次为:54μm、46μm、42μm,枝晶干和枝晶间γ′相尺寸也逐渐减小,枝晶干γ′相尺寸依次为:336 nm、304 nm、251 nm,枝晶间γ′相尺寸依次为:528 nm、340 nm、278 nm,枝晶间MC碳化物面积分数由1.28%减少到1.08%,室温抗拉强度由1069 MPa提高到1175 MPa,延伸率也由12.1%提高到17.2%。

关键词： k418高温合金热型连铸数值模拟工艺参数力学性能

k418高温合金叶片激光熔覆修复的影响因素研究

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K418高温合金叶片激光熔覆修复的影响因素研究

作者：靳延鹏北京工业大学

学位级别：硕士

随着激光熔覆表面技术的快速发展,经过研究人员的不懈努力,激光熔覆技术已经成功地从试验阶段过渡到实际工业生产中,已被广泛地应用到汽车、航空航天、石油化工等领域。由于舰船海上作业环境复杂,装备数量庞大,传统的维修方式不能完全... 详细信息

随着激光熔覆表面技术的快速发展,经过研究人员的不懈努力,激光熔覆技术已经成功地从试验阶段过渡到实际工业生产中,已被广泛地应用到汽车、航空航天、石油化工等领域。由于舰船海上作业环境复杂,装备数量庞大,传统的维修方式不能完全满足舰船远程航行过程中装备的现场维修或再制造,实现舰船零部件的现场修复及再制造能力对于海军未来发展非常重要。激光熔覆修复技术所具有的独特的优点,为实现舰船零部件的现场修复及再制造带来了新的希望,利用激光熔覆修复技术对损坏零部件进行修复,只需要在舰船上携带适量的金属合金粉末、一台半导体激光器以及运动设备,是解决目前我国舰船零部件及其装备现场修复问题的有效途径。所以研究舰船振动环境下进行激光熔覆的可行性具有非常重要的价值。本论文首先使用半导体激光器对k418高温合金涡轮叶片进行了修复实验,实验利用k418和Inconel718两种合金粉末,研究了不同激光功率和扫描速度对熔覆层开裂性的影响。然后研究了舰船振动环境对激光熔覆涂层的形貌、组织及性能的影响,振动频率范围为00Hz,振幅范围为0.2mm。使用体视显微镜、对熔覆层宏观形貌及裂纹情况进行了观察;使用金相显微镜、扫描电镜、X射线衍射仪对熔覆涂层的组织形貌以及成分进行了分析;使用电化学工作站研究分析了两种合金粉末熔覆涂层及不同振动环境下熔覆涂层的耐腐蚀性能;使用显微硬度计对各样品的硬度分布进行了研究;使用CCD相机对振动环境下激光熔覆过程中熔池的形态进行了观察研究。实验结果研究表明:利用k418合金粉末熔覆修复k418高温合金涡轮叶片难度极高,裂纹倾向性非常大,在所有工艺参数下熔覆层都出现了严重的裂纹,未能获得冶金质量良好的熔覆涂层,但是利用Inconel718合金粉末对其进行修复效果较好,当激光功率为600W,扫描速度为10mm/s时得到无裂纹等缺陷的熔覆涂层。硬度研究结果表明:Inconel718熔覆涂层平均硬度在580HV左右,k418熔覆涂层的硬度在500HV左右。耐腐蚀性能结果表明:Inconel718熔覆涂层比k418熔覆涂层具有较好的耐腐蚀性能。振动环境下激光熔覆实验结果表明:当振动频率为50Hz,振幅为1.2mm时,多道搭接熔覆层发生了明显的变形。显微组织分析可知,振动对熔覆层与基体结合处的晶体组织产生了明显的影响;振动环境下熔覆层的硬度结果显示:振动频率为10Hz时,硬度达到最高值,比无振动样品的硬度高140Hv左右,但是随着频率的增加,硬度随着降低;电化学腐蚀结果表明:振动可以在一定程度上提高激光熔覆涂层的耐腐蚀性能。

关键词：激光熔覆涡轮叶片 k418高温合金舰船振动 Inconel718合金

激光成形修复k418高温合金的微观组织与硬度

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特种铸造及有色合金 2019年第11期39卷 1187-1192页

作者：刘建睿王猛林鑫卢鹏辉黄卫东西北工业大学凝固技术国家重点实验室西北工业大学金属高性能增材制造与创新设计工信部重点实验室

采用激光立体成形技术对k418合金进行了成形修复,研究了其微观组织与硬度。结果表明,修复k418合金由基体区、热影响区与激光修复区组成,分别由形貌、大小及数量不同的γ-FeCr0.29Ni0.16C0.06基体相、γ′-Ni3Al相及碳化物相组成;铸造基... 详细信息

采用激光立体成形技术对k418合金进行了成形修复,研究了其微观组织与硬度。结果表明,修复k418合金由基体区、热影响区与激光修复区组成,分别由形貌、大小及数量不同的γ-FeCr0.29Ni0.16C0.06基体相、γ′-Ni3Al相及碳化物相组成;铸造基体区与修复区呈紧密的冶金结合,修复区组织呈沉积方向外延生长的柱状晶及连续的层带状结构。在同一沉积层中由于存在粗大树枝晶区与细小树枝晶区而具有不同的硬度。铸造基体区、热影响区与激光修复区的平均硬度值(HV)分别为432.4、499.4、490.6。

关键词：激光成形修复激光增材制造 k418高温合金微观组织显微硬度

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激光熔覆k418高温合金温度场的数值模拟

应用激光 2009年第5期29卷 419-422页

作者：易德先胡芳友胡滨王增平海军航空工程学院研究生管理大队山东烟台264001 海军航空工程学院青岛分院山东青岛266041

采用ANSYS有限元软件对k418高温合金激光熔覆过程中的温度场进行了计算,得到了激光熔覆层中心温度的变化规律。结果表明,熔覆层中心温度表现出明显的快速熔凝特征,熔覆层中心温度与激光功率成正比,与扫描速度成反比。计算结果为优化k41... 详细信息

采用ANSYS有限元软件对k418高温合金激光熔覆过程中的温度场进行了计算,得到了激光熔覆层中心温度的变化规律。结果表明,熔覆层中心温度表现出明显的快速熔凝特征,熔覆层中心温度与激光功率成正比,与扫描速度成反比。计算结果为优化k418高温合金激光熔覆工艺参数提供了理论依据。

关键词： k418高温合金激光熔覆温度场

激光选区熔化成形k418高温合金及其石墨烯强化机制研究

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激光选区熔化成形K418高温合金及其石墨烯强化机制研究

作者：骆凡西安石油大学

学位级别：硕士

k418高温合金是一种沉淀硬化型的镍基高温合金,具有优良的高温强度和抗疲劳性,能够满足在极端环境下的服役要求,在航空航天等工业领域具有重要用途。随着航空航天制造业向高性能和轻量化方向发展,对发动机材料的制备技术和性能提出了更... 详细信息

k418高温合金是一种沉淀硬化型的镍基高温合金,具有优良的高温强度和抗疲劳性,能够满足在极端环境下的服役要求,在航空航天等工业领域具有重要用途。随着航空航天制造业向高性能和轻量化方向发展,对发动机材料的制备技术和性能提出了更高的要求。因此,本文采用激光选区熔化技术(SLM)分别成形了k418高温合金和GNPs/k418高温合金,研究了SLM工艺参数对k418高温合金致密度、物相、显微组织和力学性能的影响规律,探讨了GNPs对k418高温合金显微组织、织构、相组成、显微硬度、室温以及高温拉伸性能的作用机制。随着激光功率的增大,k418高温合金的致密度呈现先增后减的趋势。当激光功率由160 W增加到240 W时,k418高温合金表面缺陷数量减少,且显微组织由柱状晶转变为胞状晶。当激光功率为200 W时,试样内部小尺寸晶粒(≤15μm)较多,晶粒细化,且施密特因子最小。在低扫描速度下,显微组织以胞状晶为主,晶粒较粗,且在熔道上存在微裂纹。随着扫描速度的增加,显微组织由胞状晶向柱状晶演化,晶粒细化,小角度晶界数量减少。扫描速度过快会造成粉末未熔化等缺陷,降低成形件的致密度。当激光功率为200 W,扫描速度为1200 mm/s时,k418高温合金的显微硬度可达到365±5HV,抗拉强度可达到1245±70 MPa,伸长率可达到12.5%±0.7%。基于k418高温合金的最优工艺成形GNPs/k418高温合金,结果表明GNPs的加入,降低了k418高温合金的各向异性和细化了k418高温合金的晶粒尺寸,同时TEM结果表明GNPs和k418金属基体间生成了少量碳化物。因此,晶粒细化和γ’、γ"、碳化物以及GNPs钉扎的共同作用提高了成形件的硬度和强度,GNPs/k418高温合金的硬度在横向和纵向上分别比k418高温合金的高4.1%和6.9%,GNPs/k418高温合金的室温拉伸强度比k418高温合金的高9%,且GNPs/k418高温合金在600℃和900℃的拉伸强度分别比k418高温合金的高7.6%和10.4%。

关键词：激光选区熔化 k418高温合金 GNPs/k418高温合金显微组织力学性能

激光增材修复k418高温合金组织及性能研究

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激光增材修复K418高温合金组织及性能研究

作者：范祝男南昌航空大学

学位级别：硕士

k418镍基铸造高温合金在航空航天发动机、燃气轮机各级各类叶片的制造过程中应用频繁。但是这些零部件在生产制造过程当中难免发生破损,导致逐渐开裂,致使零部件失效。激光增材修复技术能够对k418合金零部件在生产和使用过程中出现的磨... 详细信息

k418镍基铸造高温合金在航空航天发动机、燃气轮机各级各类叶片的制造过程中应用频繁。但是这些零部件在生产制造过程当中难免发生破损,导致逐渐开裂,致使零部件失效。激光增材修复技术能够对k418合金零部件在生产和使用过程中出现的磨损、裂纹和凹坑等损伤部位进行快速高效的修复,延长其使用期限,节约材料以及制造成本,降低经济损失,但是,k418高温合金作为一种高Al、Ti含量的铸造镍基高温合金,在激光增材修复过程中,容易发生开裂。本文针对激光增材修复k418高温合金在修复过程中的开裂问题,研究了工艺参数对修复试样开裂倾向的影响,并对其开裂机理以及裂纹萌生扩展规律进行分析。此外,还探究了修复区不同沉积高度处和热影响区不同位置处的微观组织及显微硬度的变化规律。在此基础上,进一步探究了稀土元素添加工艺以及预热工艺对其开裂行为和力学性能的影响规律,得出主要结论如下:激光增材修复k418高温合金的最佳工艺参数为:激光功率1000W、激光扫描速度600mm/min、送粉速率9.45g/min、激光光斑直径3mm、激光搭接率40%、扫描路径交叉光栅式以及抬升量0.35mm;在采用最佳工艺参数进行工艺试验时,仍然无法消除裂纹,激光增材修复k418合金块体试样中的裂纹主要分为两类,一类是萌生于热影响区的液化裂纹,另一类是在试样表面形成凝固裂纹,此外,裂纹在传播过程中更容易选择沿大角度晶界传播;裂纹的生成主要是由于晶界上γ-γ’相和γ’相发生液化后形成的液膜在热应力的作用下发生开裂。在试样修复区底部出现典型的平面晶区,在平面晶区上方,出现细小的柱状晶分布,在修复区中部,发生了柱状晶到枝晶的转变,在修复试样顶部区域枝晶的外延生长被终止,出现等轴晶组织;k418基材和激光增材修复k418高温合金试样的修复区都是主要由基体相γ-Fe CrNiC、强化相γ’-NiAl组成,基材区的γ’相呈现立方状分布,γ’相的尺寸在400-600nm,热影响区部分γ’相发生固溶,并且有新析出的二次γ’相,在修复区当中,枝晶间γ’相的尺寸相比枝晶干更加粗大;热影响区的碳化物主要呈汉字状和颗粒状,尺寸形貌与k418基材类似,在修复区底部生成向四周辐射分叉的“花草状”、“汉字状”碳化物,在修复区中部形成部分长条状的碳化物,在修复区顶部碳化物呈现短棒状。添加稀土氧化物后,增加了修复试样的开裂倾向,但修复区枝晶明显细化,一次枝晶间距由11μm降至4μm,二次枝晶间距也明显降低由7.5μm降至2μm;400℃预热基材对修复试样的开裂倾向有着较好的抑制作用,同时,修复区枝晶发生明显的粗化,修复区底部枝晶间距由13μm增至20μm,修复区中部枝晶间距由11μm增至14μm,修复区顶部枝晶间距差别不大;预热基材后,修复区底部的硬度略微提高,修复区顶部的硬度差别较小,热影响区的残余应力大幅降低,平均残余应力为38MPa,修复试样的抗拉强度由1125MPa提升至1234MPa,延伸率由10.5%降至8.1%,修复试样的断裂方式为脆性断裂和韧性断裂的混合断裂方式,在较大韧窝的中心存在发生破碎的碳化物以及已经脱落的碳化物。

关键词：激光增材修复 k418高温合金裂纹调控微观组织力学性能

k418/42CrMo异种金属连续驱动摩擦焊次生摩擦面研究

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热加工工艺 2023年第15期52卷 146-148页

作者：马东良刘佳佳马东辉刘方奇高远中建安装集团有限公司山东济南250014 山东建泽混凝土有限公司山东济南250101 中国建筑第五工程局有限公司山东分公司山东济南250101 山东中诚机械租赁有限公司山东济南250010 恒大地产集团山东有限公司山东济南250100

采用连续驱动摩擦焊进行k418高温合金/42CrMo异种金属的焊接,对焊接接头金相组织、元素含量等进行了分析。结果表明:焊缝处k418侧各主要元素向42CrMo侧发生扩散,42CrMo侧碳元素向k418侧发生扩散,k418侧近焊缝区形成了次生摩擦面,焊接完... 详细信息

采用连续驱动摩擦焊进行k418高温合金/42CrMo异种金属的焊接,对焊接接头金相组织、元素含量等进行了分析。结果表明:焊缝处k418侧各主要元素向42CrMo侧发生扩散,42CrMo侧碳元素向k418侧发生扩散,k418侧近焊缝区形成了次生摩擦面,焊接完毕后析出带状碳化物,带状碳化物与焊缝之间的k418发生再结晶。

关键词：连续驱动摩擦焊 k418高温合金次生摩擦面 42CrMo钢

k418/42CrMo异种金属连续驱动摩擦焊研究

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K418/42CrMo异种金属连续驱动摩擦焊研究

作者：马东良安徽工业大学

学位级别：硕士

本文主要对某公司涡轮增压器转子轴的连续驱动摩擦焊工艺进行了研究，采用试验研究和理论分析的方法，初步探讨了不同焊接工艺对k418/42CrMo异种金属摩擦焊焊接接头组织、合金元素扩散行为及室温力学性能的影响与作用机制，为焊接工艺... 详细信息

本文主要对某公司涡轮增压器转子轴的连续驱动摩擦焊工艺进行了研究，采用试验研究和理论分析的方法，初步探讨了不同焊接工艺对k418/42CrMo异种金属摩擦焊焊接接头组织、合金元素扩散行为及室温力学性能的影响与作用机制，为焊接工艺参数的优化提供了理论依据。焊接接头组织分析表明：两种材料物理与化学性能存在差异，焊接过程中摩擦面从两种金属之间转移至导热性较差的k418一侧，最终形成“次生摩擦面”;焊接接头与次生摩擦面之间部分区域发生再结晶现象;少量碳元素在高温时从42CrMo侧向k418侧迁移并富集在次生摩擦面附近，温度下降时以碳化物形式析出，导致k418侧出现增碳区硬度升高，42CrMo侧出现脱碳区硬度降低;Ni、Fe、Cr等元素也都发生不同程度的扩散迁移现象。焊接工艺试验说明：强规范（高摩擦压力、短摩擦时间）焊接效果较好，一般能达到755MPa工艺要求，而弱规范（低摩擦压力、长摩擦时间）一般低于755MPa且易出现焊接缺陷;Ⅰ级摩擦主要是一个预加热过程，有无Ⅰ级摩擦对弱规范影响显著，对强规范影响较小;Ⅱ级摩擦是焊接的主要阶段，Ⅱ级摩擦压力和时间对焊接效果影响较大;顶锻和焊后热处理对提高焊接质量有一定的作用。通过研究，总结并优化得出k418/42CrMo异种金属连续驱动摩擦焊最优工艺为0.8MPa×1s+4.0MPa×8s+4.0MPa×5s。该工艺参数焊接效果良好，已成功运用于实际生产中。

关键词：连续驱动摩擦焊异种金属焊接 k418高温合金