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试验温度对镍基单晶高温合金裂纹扩展行为的影响

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稀有金属材料与工程 2024年第7期53卷 1874-1881页

作者：李乐宇田福政李振张金刚邓志伟陈星刘新灵中国航发北京航空材料研究院北京100095

研究了DD6镍基单晶高温合金从530℃到850℃的疲劳裂纹稳定扩展行为。疲劳裂纹扩展试样沿[001]方向平行于受拉的加载轴。通过扫描电子显微镜研究疲劳裂纹扩展试验后的断口形貌,并根据形貌特点分为源区、预制裂纹区、稳定扩展区以及快速... 详细信息

研究了DD6镍基单晶高温合金从530℃到850℃的疲劳裂纹稳定扩展行为。疲劳裂纹扩展试样沿[001]方向平行于受拉的加载轴。通过扫描电子显微镜研究疲劳裂纹扩展试验后的断口形貌,并根据形貌特点分为源区、预制裂纹区、稳定扩展区以及快速扩展区。通过电子背散射衍射技术研究垂直于断口的剖面塑性变形情况。通过透射电子显微镜观察断口附近位错机制随温度的变化。结果表明,受温度场、应力场以及暴露时间的作用,在650℃时发生氧化,且在650℃至760℃之间,由于γ′相的弱化,在γ与γ′相中形成大量连续的位错,导致合金氧化加剧,同时760℃下疲劳扩展寿命显著下降。

关键词：镍基单晶高温合金疲劳性能裂纹扩展位错运动机制

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

Ti_(3)AlN/ZrYN纳米多层膜力学性能、抗氧化及疏水性能

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材料工程 2024年第2期52卷 190-197页

作者：李仲博中国航发北京航空材料研究院北京100095

利用物理气相沉积(PVD)技术交替沉积Ti_(3)AlN和ZrYN纳米层,制备一系列具有不同ZrYN纳米层厚度(l)的Ti_(3)AlN/ZrYN纳米多层膜,并通过XRD,SEM,纳米压痕仪,显微硬度计及接触角测量仪等研究不同l对Ti_(3)AlN/ZrYN纳米多层膜力学、抗氧化... 详细信息

利用物理气相沉积(PVD)技术交替沉积Ti_(3)AlN和ZrYN纳米层,制备一系列具有不同ZrYN纳米层厚度(l)的Ti_(3)AlN/ZrYN纳米多层膜,并通过XRD,SEM,纳米压痕仪,显微硬度计及接触角测量仪等研究不同l对Ti_(3)AlN/ZrYN纳米多层膜力学、抗氧化以及疏水性能的影响。结果表明:当Ti_(3)AlN和ZrYN纳米层厚度分别为10 nm和1 nm时,纳米多层膜具有高硬度(H=26.8 GPa)和优异的断裂韧度(Kf=4.21 MPa∙m^(1/2))。硬度和断裂韧度的提高可能是因为,当l较小时,纳米层间形成良好的c-Ti_(3)AlN/c-ZrYN共格外延结构,可以有效阻碍位错的产生和滑移。高密度的异质界面可使微裂纹发生连续偏转,有效延长裂纹扩散路径的同时消耗裂纹传播能量,从而提高断裂韧度。同时,较小的l也易于获得优异的抗氧化性能,l较小时Ti_(3)AlN纳米层占主导地位,Al倾向于在表面形成致密的Al_(2)O_(3)层,阻碍氧气向薄膜内部扩散。此外,Ti_(3)AlN/ZrYN纳米多层膜表面形成的结瘤缺陷增加表面粗糙度,使得薄膜的疏水性能得到提高,从而使其在潮湿环境中不易快速发生腐蚀。

关键词： Ti_(3)AlN/ZrYN纳米多层膜力学性能抗氧化性疏水性

Ti-6321钛合金钨极惰性气体保护焊接头的微观组织与力学性能

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材料工程 2024年第6期52卷 159-166页

作者：闫泰起郑涛陈冰清祝力伟中国航发北京航空材料研究院北京100095

采用钨极惰性气体保护(tungsten inert gas,TIG)焊获得了质量良好的大厚度Ti-6321钛合金焊接接头,对比热处理前后焊接接头熔融区、热影响区和母材区的微观组织变化,测试焊接接头的冲击性能、断裂韧度及拉伸性能,并与母材进行对比。结果... 详细信息

采用钨极惰性气体保护(tungsten inert gas,TIG)焊获得了质量良好的大厚度Ti-6321钛合金焊接接头,对比热处理前后焊接接头熔融区、热影响区和母材区的微观组织变化,测试焊接接头的冲击性能、断裂韧度及拉伸性能,并与母材进行对比。结果表明:焊接接头熔融区退火前的组织由粗大β柱状晶组成,晶内为充分生长的针状马氏体α′相,热影响区为β基体和初生α相组成的等轴组织,β基体中析出针状马氏体α΄相;退火后,熔融区和热影响区β晶粒内部的马氏体α΄相完全转变为次生α相。Ti-6321钛合金焊接接头的冲击韧性,断裂韧度,抗拉强度及伸长率分别为80.3 J/cm^(2),113.00 MPa·m^(1/2),873 MPa和9%,为母材的104.7%,84.1%,100%和67.7%,相比母材断口,接头冲击断口具有更为粗糙的阶梯形貌表面以及微观尺寸更小的等轴韧窝,而韧性断口表面整体更加平坦,且疲劳裂纹扩展区更窄。

关键词： Ti-6321钛合金 TIG焊热处理微观组织力学性能

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三联冶炼+挤压制备的GH4710合金棒材热变形行为及热加工图

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稀有金属材料与工程 2024年第9期53卷 2555-2564页

作者：陈由红兰博孙兴林莺莺中国航发北京航空材料研究院北京100095

采用真空感应(VIM)+电渣重熔(ESR)+真空自耗(VAR)三联冶炼制备的GH4710合金铸锭经挤压获得棒材。在Gleeble-1500试验机上开展等温压缩实验,研究了三联铸锭挤压态GH4710合金在温度1050~1150℃,应变速率0.01~5 s^(-1)条件下的热变形行为... 详细信息

采用真空感应(VIM)+电渣重熔(ESR)+真空自耗(VAR)三联冶炼制备的GH4710合金铸锭经挤压获得棒材。在Gleeble-1500试验机上开展等温压缩实验,研究了三联铸锭挤压态GH4710合金在温度1050~1150℃,应变速率0.01~5 s^(-1)条件下的热变形行为。结果表明,应力-应变曲线具有明显的动态再结晶特征,且应力随着变形温度的升高和应变速率的降低而明显减小。基于应力应变曲线,建立了合金动态再结晶临界应变模型,同时建立了考虑应变影响的Arrhenius本构模型来精确描述合金应力、应变速率和温度的依赖关系。最后以动态材料模型为基础构建了合金热加工图,结合显微组织分析,明确了合金流变失稳特征为不均匀显微组织,确定了合金最佳锻造工艺参数范围为1050℃≤T≤1100℃、0.01 s^(-1)≤ε≤0.1 s^(-1)。

关键词： GH4710合金挤压三联冶炼工艺热加工图

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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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

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

热处理对激光选区熔化GH3536合金高温拉伸性能的影响

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航空材料学报 2024年第1期44卷 112-120页

作者：黄帅曲致奇张国会陈冰清周标张学军中国航发北京航空材料研究院北京100095

利用激光选区熔化(selective laser melting,SLM)技术可近净成形GH3536合金复杂零件,其高温力学性能是能否安全服役的重要考量指标,本工作研究热处理对SLM成形GH3536合金的微观组织与高温拉伸性能的影响。在1225℃下进行1 h热处理以探... 详细信息

利用激光选区熔化(selective laser melting,SLM)技术可近净成形GH3536合金复杂零件,其高温力学性能是能否安全服役的重要考量指标,本工作研究热处理对SLM成形GH3536合金的微观组织与高温拉伸性能的影响。在1225℃下进行1 h热处理以探究组织性能调控机制,测试GH3536增材试样沉积态与热处理态高温下的拉伸性能,采用扫描电镜研究热处理前后增材GH3536试样的微观组织演变。结果表明:热处理可有效消除晶粒内部的胞状亚晶结构,使位错滑移能力显著增强,其在室温、650、815℃环境下断裂伸长率分别提高75%、92%、683%;另外,柱状晶纵横比的减小使热处理试样的各向异性显著降低;断口分析表明随着拉伸环境温度的增加,热处理试样的断裂模式由沿晶断裂转变为混合断裂。

关键词：激光选区熔化 GH3536合金微观组织高温拉伸断裂模式