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涉氢环境及其对高温合金的影响:评述--面向航空发动机潜在应用

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航空材料学报 2024年第2期44卷 13-30页

作者：郑亮李周王旭青张国庆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

随着“双碳”目标的提出,氢作为绿色清洁能源成为未来航空业发展的重要趋势,近年来氢燃料航空发动机备受关注。高温合金是当前燃气涡轮发动机热端部件中应用最广泛的材料,本文综述现有其他领域涉氢环境对合金的影响,为未来氢燃料航空发... 详细信息

随着“双碳”目标的提出,氢作为绿色清洁能源成为未来航空业发展的重要趋势,近年来氢燃料航空发动机备受关注。高温合金是当前燃气涡轮发动机热端部件中应用最广泛的材料,本文综述现有其他领域涉氢环境对合金的影响,为未来氢燃料航空发动机用高温合金研制和应用提供参考。对内/外氢环境的引入、渗(充)氢方法、氢浓度/氢分布特征及氢稳定存在温度的测量、氢对拉伸、蠕变/持久和疲劳性能的影响以及氢脆的断裂机理进行分述,总结不同成分、制备工艺、原始组织状态、合金化程度以及不同应用领域高温合金在涉氢环境下的力学性能退化因素。结果表明,外氢环境下比内氢环境下力学性能下降更快;合金化程度更高的高温合金氢脆更明显,而高温氢环境下合金性能损伤(蠕变/持久、疲劳和拉伸)倾向较室温明显降低。就燃氢涡轮动力用高温合金在涉氢环境下的力学性能评价及适氢环境高温合金的研制进行展望。燃氢涡轮航空发动机可能面临的涉氢工作环境包括:液氢存储的低温氢环境;用于通道冷却的氢环境;经过气体压缩的高温高压氢环境;以及燃烧产物-高温水蒸气(高温潮湿)环境的影响。重点应关注氢在高温合金中的扩散和渗透、高温合金在高压氢环境下的脆性和腐蚀、高温潮湿环境下氧化和腐蚀行为以及上述多重耦合环境下合金和涂层的退化和防护机制。针对燃氢涡轮发动机工作环境,需要搭建近服役条件的高温合金燃氢环境实验装置,开展燃氢环境对高温合金及零部件的影响研究,建立现役叶片和盘件等热端部件关键用材在涉氢环境中的力学性能数据库和相关标准,并在此基础上适时研发适用于燃氢环境使用的高温结构材料,为氢燃料燃气涡轮航空发动机的应用提供支持。

关键词：高温合金氢燃料燃气涡轮航空发动机氢致力学性能退化氢分布 TiAl合金氢脆指数

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单晶叶片激光修复研究进展

稀有金属材料与工程 2024年第2期53卷 593-602页

作者：张剑郭媛媛张迈叶新玥刘逸刘禹侯娟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 上海理工大学材料与化学学院上海200093

单晶叶片激光修复技术为航空领域节约了大量成本,该技术以增材制造工艺为基础,以期在单晶基底上通过定向凝固生长出理想的单晶结构。目前,主流的单晶叶片修复技术包括以下两类:定向能量沉积技术(directedenergy deposition,DED)、粉末... 详细信息

单晶叶片激光修复技术为航空领域节约了大量成本,该技术以增材制造工艺为基础,以期在单晶基底上通过定向凝固生长出理想的单晶结构。目前,主流的单晶叶片修复技术包括以下两类:定向能量沉积技术(directedenergy deposition,DED)、粉末床熔融技术(powder bed fusion,PBF)。本文综述了2种主要修复技术的研究进展,总结了修复过程中工艺参数的影响及单晶生长的机制,阐明了单晶修复技术在航空领域的应用潜力。此外,还讨论了目前单晶叶片修复面临的主要挑战,并对其未来发展趋势进行了展望。

关键词：单晶叶片增材制造激光修复

K439B镍基铸造高温合金800℃长期时效过程中碳化物的演变规律

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材料导报 2024年第15期38卷 8-12页

作者：高磊屈星海吴一栋陈晶阳肖程波惠希东北京科技大学新金属材料国家重点实验室北京100083 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

K439B镍基合金是一种承温能力达800℃的新型铸造高温材料,在发动机机匣类复杂结构件有重要应用前景。作为该合金中的主要晶界强化相,碳化物在合金长期时效过程中的演化规律尚不清楚。以K439B合金为对象,在800℃下对该合金进行了6000~100... 详细信息

K439B镍基合金是一种承温能力达800℃的新型铸造高温材料,在发动机机匣类复杂结构件有重要应用前景。作为该合金中的主要晶界强化相,碳化物在合金长期时效过程中的演化规律尚不清楚。以K439B合金为对象,在800℃下对该合金进行了6000~10000 h的等温时效实验,研究了其长期时效过程中碳化物的演变规律和转变机理。结果表明,K439B合金的组织稳定性优异。经过长期时效后,晶界和枝晶间组织中仍保留大部分标准热处理态时的MC型碳化物,仅有部分MC型碳化物分解为M_(23)C_(6)型碳化物和γ′相,未出现η相和σ相等TCP有害相。晶界M_(23)C_(6)型碳化物表现出两种不同的粗化行为,一是M_(23)C_(6)型碳化物逐渐宽化,在长期时效后宽度均一,碳化物排列整齐;二是在某些晶界部位,粗化后的M_(23)C_(6)型碳化物呈现不规则的形状,甚至向晶粒内部延伸。晶界M_(23)C_(6)型碳化物并未出现沿整个晶界的完全相连情况,其主要是γ′相颗粒将两个相邻的M_(23)C_(6)型碳化物分隔所致。

关键词： K439B镍基高温合金长期时效组织稳定性碳化物

热力学计算与机器学习相结合逆向设计镍基高温合金

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材料工程 2024年第6期52卷 167-176页

作者：祝亚亮雍维杨杰王晓峰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 北京科技大学新材料技术研究院北京100083

采用热力学计算与机器学习相结合的方法进行镍基高温合金面向热力学性能要求的逆向设计。结果表明:通过高通量热力学计算成功构建镍基高温合金热力学计算数据集,为采用机器学习方法实现面向热力学性能要求的镍基高温合金逆向设计提供数... 详细信息

采用热力学计算与机器学习相结合的方法进行镍基高温合金面向热力学性能要求的逆向设计。结果表明:通过高通量热力学计算成功构建镍基高温合金热力学计算数据集,为采用机器学习方法实现面向热力学性能要求的镍基高温合金逆向设计提供数据基础。针对热力学目标性能建立若干C2P模型,模型精度均高于99%。采用MLDS方法进行合金成分逆向设计,推荐的8种合金均满足性能的要求(1100℃下的γ'相体积分数Vγ',1100℃≥60%,V_(γ,1100℃)+Vγ',1100℃≥99%,γ'相熔点Tγ′≥1300℃)。热力学性能预测误差最小的3种合金实验验证表明,Vγ',1100℃均大于80%,时效后的组织中V_(γ,1100℃)+Vγ',1100℃≥99%,且Tγ′≥1300℃,均满足设计的要求。

关键词：热力学计算机器学习逆向设计镍基高温合金

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Ru、Y对铸造高温合金与陶瓷界面反应的影响

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铸造 2024年第6期73卷 810-817页

作者：史振学潘宏涛郝齐赞刘世忠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

在定向凝固炉中,采用相同的硅基陶瓷型芯,刚玉陶瓷型壳,熔炼工艺和定向凝固工艺制备了四种不同Ru、Y含量的单晶高温合金叶片,研究了组织稳定性提升元素Ru、抗氧化性增强元素Y对合金与陶瓷材料界面反应的影响。研究结果表明,合金中不含Ru... 详细信息

在定向凝固炉中,采用相同的硅基陶瓷型芯,刚玉陶瓷型壳,熔炼工艺和定向凝固工艺制备了四种不同Ru、Y含量的单晶高温合金叶片,研究了组织稳定性提升元素Ru、抗氧化性增强元素Y对合金与陶瓷材料界面反应的影响。研究结果表明,合金中不含Ru、Y时,合金与型壳发生的界面反应主要为物理粘砂作用,未见合金元素与型壳发生明显的化学反应,合金与型芯发生轻微的界面反应,除了物理作用,还发生了Al与SiO2的化学反应。合金中添加Ru,对合金与型壳或型芯的界面反应无影响。合金中添加0.01%Y后,合金与陶瓷型壳或型芯的界面反应稍有增加,但由于其添加量较少,故影响较小。

关键词：陶瓷高温合金界面反应 Ru Y

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铸型正反转搅动对精密铸造K4169合金凝固组织和室温力学性能的影响

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金属学报 2024年第7期60卷 926-936页

作者：陈诚杨光昱金梦辉王强汤鑫程会民介万奇西北工业大学凝固技术国家重点实验室西安710072 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 中国兵器工业集团西安北方光电科技防务有限公司西安710043

为揭示离心铸造工艺在晶粒细化和力学性能提升等方面的优势,本工作对比分析了铸型正反转搅动动力学细晶法离心铸造工艺和常规重力铸造工艺条件下K4169合金典型结构特征件的凝固组织和室温力学性能,研究了2种工艺条件下得到的合金组织、... 详细信息

为揭示离心铸造工艺在晶粒细化和力学性能提升等方面的优势,本工作对比分析了铸型正反转搅动动力学细晶法离心铸造工艺和常规重力铸造工艺条件下K4169合金典型结构特征件的凝固组织和室温力学性能,研究了2种工艺条件下得到的合金组织、元素偏析、第二相分布以及断口组织形貌和室温力学性能。结果表明,铸型正反转搅动处理可使K4169合金铸态组织明显细化,当铸型正反转持续时间为4 s时,K4169合金的晶粒组织细化效果显著,晶粒尺寸从重力铸造工艺下的(5.37±0.21) mm减小至(0.27±0.01) mm;铸造K4169合金的初生相破碎,枝晶形貌退化,合金元素偏析程度减轻,凝固组织中Laves相数量减少,碳化物数量略有增加;铸型正反转4 s条件下,铸态合金的室温抗拉强度比重力铸造条件下提高了31.4%。

关键词： K4169合金铸型正反转熔模铸造凝固组织室温力学性能

喷丸对DD412单晶高温合金表面完整性和疲劳性能的影响

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材料工程 2024年第7期52卷 152-161页

作者：王琨罗学昆宋尽霞周春根田凯王一鸣王欣中国航发北京航空材料研究院表面工程研究所北京100095 中国航发北京航空材料研究院航空材料先进腐蚀与防护航空重点实验室北京100095 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 北京航空航天大学材料科学与工程学院北京100191

为提高涡轮叶片榫头的疲劳性能,研究了喷丸对DD412单晶合金表面完整性和高温疲劳性能的影响规律。采用白光干涉仪、粗糙度仪、显微硬度计、扫描电镜、透射电镜等分别对喷丸前后的表面形貌、粗糙度、硬度梯度、微观组织进行表征,并采用... 详细信息

为提高涡轮叶片榫头的疲劳性能,研究了喷丸对DD412单晶合金表面完整性和高温疲劳性能的影响规律。采用白光干涉仪、粗糙度仪、显微硬度计、扫描电镜、透射电镜等分别对喷丸前后的表面形貌、粗糙度、硬度梯度、微观组织进行表征,并采用旋弯疲劳试验机测试高温疲劳寿命和极限。结果表明:喷丸后,表面磨削刀痕被消除,显著降低表面微观应力集中系数;试样表层组织发生剧烈塑性变形,并形成深度约0.10~0.32 mm的硬化层。相比未喷丸试样,优化工艺喷丸试样在600℃/500 MPa条件下的旋弯中值疲劳寿命提高21.7倍以上,在600℃下的中值疲劳极限提高了17.3%。经分析认为,喷丸对表面完整性的优化是DD412合金高温疲劳性能提升的主要原因。

关键词：喷丸单晶合金表面完整性疲劳寿命微观组织硬度

物理法/化学法退除NiCoCrAlYHf涂层对DD6合金表面组织结构的影响

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稀有金属材料与工程 2024年第8期53卷 2200-2204页

作者：张彬蔡妍刘嘉曦赵文君刘玉琢牟仁德北京航空材料研究院航空材料先进腐蚀与防护航空科技重点实验室北京100095 北京科技大学新金属材料国家重点实验室北京100083

本实验采用真空电弧镀工艺在第二代镍基DD6单晶高温合金表面沉积了NiCoCrAlYHf(HY5)涂层,分别采用物理吹砂法与化学溶液浸泡法去除表面涂层,对比研究二者对涂层的去除效果及对基体合金的影响程度。结果表明:涂覆的涂层厚度约20μm,主要... 详细信息

本实验采用真空电弧镀工艺在第二代镍基DD6单晶高温合金表面沉积了NiCoCrAlYHf(HY5)涂层,分别采用物理吹砂法与化学溶液浸泡法去除表面涂层,对比研究二者对涂层的去除效果及对基体合金的影响程度。结果表明:涂覆的涂层厚度约20μm,主要由β和γ'相组成;经物理法或化学法处理后,基体表面无涂层残留,原始涂层均被完全去除。在物理法吹砂颗粒的切削作用下,基体合金表面宏观上呈现凹凸形貌,微观上沿取向变形产生形变层;物理法破坏了基体合金表面完整性,对基体损伤较大。化学法处理仅在局部区域产生γ'相损伤层,对基体损伤较小。

关键词：涂层退除物理法化学法 DD6合金组织结构

浇注温度与型壳温度对K4648镍基高温合金组织和性能的影响

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机械工程材料 2024年第6期48卷 75-80页

作者：张丽辉高达黄强张楚博张强任晓冬胡聘聘张勇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

针对某型号燃气涡轮导向器用K4648镍基高温合金室温冲击韧性无法达到标准要求(冲击韧性大于20 J·cm^(-2))的问题,在不同的浇注温度与型壳温度(1 490℃/1 050℃,1 490℃/950℃,1 460℃/1 050℃)下制备了K4648镍基高温合金,并进行了固溶... 详细信息

针对某型号燃气涡轮导向器用K4648镍基高温合金室温冲击韧性无法达到标准要求(冲击韧性大于20 J·cm^(-2))的问题,在不同的浇注温度与型壳温度(1 490℃/1 050℃,1 490℃/950℃,1 460℃/1 050℃)下制备了K4648镍基高温合金,并进行了固溶+标准热处理,研究了浇注温度与型壳温度对合金显微组织和冲击性能的影响,获得了优化的工艺参数。结果表明:当型壳温度或浇注温度较低时,K4648镍基高温合金的晶粒尺寸和二次枝晶间距较小,块状初生α-Cr相含量较少、尺寸较小,合金的冲击韧性较大,冲击断口处次生裂纹数量较少;优化工艺参数为型壳温度950℃、浇注温度1 490℃,此工艺参数下制备的K4648镍基高温合金的冲击韧性最大,为21.4 J·cm^(-2),满足标准要求。

关键词： K4648镍基高温合金浇注工艺 α-Cr相冲击韧性