【焦点】高温合金 l Si含量对激光选区熔化Hastelloy X合金组织及持久性能的影响…l 中国航发…

| 3DScienceValley · 2024/05/06

谷专栏

根据AMPower的研究报告，到2028年，高温合金和钛合金是增材制造的主流材料，增材制造用镍基合金的销量在2028年有望接近1万吨，钛合金也将保持良好的增长态势。

根据上海航天信息研究所与上海交通大学的《航天用镍基高温合金及其激光增材制造研究现状》一文，镍基高温合金是航天工业中不可或缺的材料，随着金属增材制造理论研究的深入，增材制造技术将进一步扩大和加快镍基高温合金在航天领域的应用。然而，增材制造技术涉及极为复杂的冶金、物理、化学、热耦合等过程，尽管在航天器构件制备方面有很多成功的案例，且针对镍基高温合金的增材制造也进行了大量的研究，但“材料–增材制造工艺–后续热处理–组织–性能”之间的匹配关系仍不是十分清晰。

本期，通过聚焦近期国内在高温合金方面的实践与研究的多个闪光点，3D科学谷与谷友一起来领略的这一领域的研究近况。

Si含量对激光选区熔化Hastelloy X
合金组织及持久性能的影响

李雅莉、何艳丽、付俊、张剑锋
中国航发商用航空发动机有限责任公司材料工程部

摘要：

研究了A(Si 0.071 wt%)、B(Si 0.365 wt%)两批次Hastelloy X合金激光选区熔化试样显微组织及持久性能。结果表明：815℃/105MPa持久试验前，A批试样碳化物在晶界及晶内均有析出，晶界析出物呈链状分布，碳化物类型为富含Cr元素的M23C6型碳化物，B批试样碳化物近乎只在晶界呈较连续析出，碳化物类型为富含Mo元素的M6C型碳化物。持久试验后，A批试样析出物无明显变化，B批试样晶内产生较多针状析出相MoSiW。此外，A批试样持久性能均达到锻件标准，而B批试样持久性能塑性较低，平均延伸率为6.4%，低于锻件标准。Hastelloy X合金析出相的形态、分布及类型等与Si含量密切相关，当Si元素较高时(0.365 wt%)，持久试验过程中，晶内密集析出针状硬脆相，晶界碳出物连续化，影响晶界之间的结合力，降低合金的持久性能。

基于GA-BP和PSO-BP神经网络的
SLM GH3625高温合金残余应力预测研究

曾权、李鑫、王克鲁、鲁世强、刘杰、黄文杰、周潼、汪增强
南昌航空大学航空制造工程学院

摘要：

采用PSO-BP和GA-BP混合算法的人工神经网络模型预测了选区激光熔化成形GH3625高温合金的残余应力。通过响应面法为实验设计生成样本集,以激光功率、扫描速度和扫描间距作为模型的输入层,以残余应力作为模型的输出层进行预测优化。采用相关系数R2和平均绝对相对误差eAARE评价指标对预测模型进行了验证和对比分析。结果表明:BP、 GA-BP和PSO-BP神经网络模型均能够较好地预测不同工艺参数下GH3625高温合金的残余应力,且通过算法优化后的BP神经网络具有更高的预测精度。其中GA-BP神经网络对选区激光熔化成形GH3625高温合金残余应力的预测精度最高,模型性能更优越,其相关系数R2和相对平均绝对误差eAARE分别为0.909和2.06%。

SLM成形IN718合金高温
持久各向异性影响因素

何思逸1,2刘翔宇1,2郭双全3王宁4肖磊5徐轶1,2
1.西南交通大学2. 西南交通大学,材料先进技术教育部重点实验室3. 成都天翔动力技术研究院有限公司4. 四川海泰普科技有限公司 5. 四川六合特种金属材料股份有限公司

摘要：

为研究激光选区熔化(selective laser melting, SLM)成形IN718持久各向异性的影响因素，对其打印态分别进行固溶时效(solution treatment and aging, SA)和直接时效(direct aging, DA)处理，采用X射线衍射、扫描电子显微镜及电子背散射衍射对两种状态试样xOy面及yOz物相、显微组织和织构进行表征，并在690 MPa,650℃下对两种状态的横向/纵向试样进行持久性能测试，测试后对断口和截面裂纹进行了表征分析量化研究.研究表明，DA态试样很大程度保持了打印态的显微组织，有明显熔池痕迹.晶粒尺寸几乎没有变化.显微组织中有大量偏析，XRD显示有衍射强度微弱的MC相的峰.而SA态试样晶粒尺寸及分布与DA态试样类似，同时存在大范围的δ相析出.横向/纵向试样的高温持久性能的差异随着加载时裂纹萌生点数量差异的减小而减小.垂直于应力加载轴向的熔池结构及晶界结构的差异是影响其高温持久各向异性的关键因素.

激光熔覆CoCrFeNi和AlCoCrFeNi
中熵合金涂层的高温抗氧化性能

周琦琛、刘宁、赵沛、张浩宇、张鑫
江苏科技大学材料科学与工程学院

摘要：

采用激光熔覆技术在H13钢表面成功制备了CoCrFeNi和AlCoCrFeNi中熵合金涂层。利用扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)和X射线衍射(XRD)对涂层的微观组织、成分分布和相组成进行分析；在此基础上，重点研究涂层的高温稳态氧化和循环氧化性能，分析涂层的氧化机理。结果表明：激光熔覆CoCrFeNi和AlCoCrFeNi中熵合金涂层与基体之间呈良好的冶金结合，涂层呈现单相FCC结构，其微观组织以柱状晶和等轴晶为主。在700、800和900℃高温氧化60 h后，CoCrFeNi和AlCoCrFeNi涂层的氧化层厚度远小于H13钢的氧化层厚度，抗氧化性能显著优于H13钢。在600℃经历6次循环氧化后，AlCoCrFeNi涂层表面几乎无氧化，CoCrFeNi涂层经历了5次循环后表面形成了极薄的氧化层；600℃循环氧化时虽然H13钢表面氧化层较薄，但结构比较疏松易剥落，对合金内部无法起到保护作用。表明CoCrFeNi和AlCoCrFeNi中熵合金涂层具有优异的高温抗氧化性能。

激光熔覆Inconel 625合金高温
高应变率下的力学行为及本构模型

雷经发1,2赵晨霞1刘涛1,2沈朝阳1李思悦1
1.安徽建筑大学机械与电气工程学院2. 工程机械智能制造安徽省教育厅重点实验室

摘要：

为研究激光熔覆Inconel 625(IN625)合金在高温高应变率下的力学行为，制备激光熔覆IN625合金试样，获取了试样在四种温度(25 ℃、600 ℃、800 ℃、1000 ℃)和三种应变率(1000 s-1、2000 s-1、3000 s-1)下的压缩应力-应变曲线，并构建了适用的本构模型。结果表明：激光熔覆IN625合金在四种温度和三种应变率下的应力-应变曲线均存在弹性和塑性阶段。在各温度下，材料屈服强度和流动应力均随着应变率的增加而增加，表现出明显的应变率强化效应。在各加载应变率下，材料的流动应力和屈服强度随温度的升高而降低，表现出显著的温度软化效应。基于应力-应变数据，以Johnson-Cook(J-C)本构模型为基础，通过温度软化指数和应变率敏感系数拟合，对模型进行修正，模型拟合值与实验结果吻合较好，可准确地描述材料的力学行为。

航天运载器大型金属构件
激光定向能量沉积研究及应用进展

周庆军1严振宇1张京京1衣凤2董鹏1谢勇1王福德1郭宁3,4
1.首都航天机械有限公司2. 北京科技大学新金属材料国家重点实验室3. 齐鲁工业大学(山东省科学院)机械工程学院4. 山东省机械设计研究院

摘要：

激光定向能量沉积（LDED）增材制造技术由于成形效率高、材料送进方式灵活、成形自由度高等特点，非常契合当前及未来航天装备结构大型化、整体化、轻量化、高精度发展趋势，并已在运载火箭、载人飞船、火箭发动机等领域实现牵引性应用。本课题首先总结了当前铝合金及其复合材料、钛合金及其复合材料、镍基高温合金及其复合材料三类航天装备结构主体材料的LDED研究现状，在此基础上，梳理出了LDED工艺的发展方向及研究进展。此后，重点介绍了航天装备主承力结构、异质合金一体化结构、集成流道整体化结构三类典型结构LDED制造难点、研制及应用进展。最后，对LDED增材制造技术材料、工艺及装备等的发展方向进行了展望。

选区激光熔化成形Inconel 625
合金的高温热腐蚀行为

赵斌1王琪霖1任延杰1,2韩林虎1蒋东方3
1.长沙理工大学能源与动力工程学院2. 浙江科技大学机械与能源工程学院3. 国网能源研究院有限公司

摘要：

采用电化学阻抗谱对比研究了激光选区熔化成形(Selective Laser Melting，SLM)和轧制Inconel 625合金在600℃覆盖50%KCl+50%Na2SO4(质量分数)盐膜下的电化学腐蚀行为。结果表明：SLM成形Inconel 625合金的腐蚀电化学阻抗谱呈双容抗特征，腐蚀过程受荷电离子迁移控制，轧制合金由高频段的容抗弧和低频段的直线组成，表明腐蚀受扩散控制。SLM成形合金的腐蚀产物层为Cr2O3/Ni3S2多层交替结构，而轧制合金表面腐蚀产物由Cr2O3和NiO的混合物组成，存在着明显的内硫化现象。由于SLM成形Inconel 625合金较多的位错及亚晶粒促进了铬元素的向外扩散与氧发生反应，改变了合金表面的硫分压，进而影响了合金表面腐蚀产物膜的组成及结构。

激光熔覆Si增强MoNiCr合金
涂层及其高温摩擦学性能

尤世泉1,2,3崔功军1,2,3杨荣乾1,2,3刘宇嵩1,2,3冯小刚1,2,3寇子明1,2,3
1.太原理工大学机械与运载工程学院2. 太原理工大学山西省矿山流体控制工程实验室3. 太原理工大学矿山流体控制国家地方联合工程实验室

摘要：

为改善Mo基涂层作为热端部件高温防护涂层的耐磨性能，采用激光熔覆技术在InconelLtd718合金表面原位制备了MoNiCrSi涂层，并系统研究了Si对Mo合金涂层的微观组织和高温摩擦学性能的影响。在室温～1000℃的大气环境中，与Si3N4配副应用球-盘式高温摩擦磨损试验机对涂层及基底材料的高温摩擦学性能进行了测试。

结果表明：Si与Mo、Ni、Cr发生反应生成了α-Mo、Mo0.3Ni0.24Si0.76、Mo5Si3和CrSi2相。MoNiCrSi涂层Vickers硬度相比MoNiCr涂层和基底材料显著升高，Si元素表现出明显的固溶强化和弥散强化作用。随温度的升高，涂层的摩擦系数逐渐减小，磨损率呈现出先降低后增加的趋势。MoNiCrSi涂层相比MoNiCr涂层和基底材料表现出更优异的高温耐磨损性能，Si明显改善了涂层的高温耐磨自润滑性能。这主要归因于涂层高的硬度和SiO2、MoO3、Mo4O11、NiLtdMoO4等固体润滑相以及高温润滑层的协同作用。特别是在600℃下，MoLtdNiCrSi合金涂层的磨损率降低至5.57×10-6mm3/(N·m)，比MoNiCr涂层低了一个数量级。不同温度下，钼合金涂层表现出了不同的磨损机理。

横向弱磁场对镍基高温合金
发散双晶竞争生长行为的影响

谢信亮1周丽萍1余建波2玄伟东2陈超越2王江2任忠鸣2
1.南京工业大学先进轻质高性能材料研究中心2. 上海大学材料科学与工程学院省部共建高品质特殊钢国家重点实验室

摘要：

静磁场作为外加物理场，可以有效调控材料成形过程，为调控镍基高温合金凝固组织和晶体定向生长提供了新的思路。本工作研究了DD483镍基高温合金发散双晶在横向弱磁场下(0.1和0.7 T)定向竞争生长规律和组织形貌演变特征。结果表明：未施加磁场时，发散双晶中择优取向晶粒(晶粒A)淘汰非择优取向晶粒(晶粒B)，且晶粒淘汰速率与抽拉速率无关。磁场能显著影响发散双晶的竞争生长速率，且受双晶在磁场下的摆放方式和抽拉速率的影响。当发散双晶在磁场下按A-to-B方式摆放时，施加磁场抑制了择优取向晶粒(晶粒A)在晶界处的分枝，减缓了晶粒A的淘汰速率。当发散双晶按B-to-A方式摆放时，施加磁场进一步促进了晶粒A在晶界处的分枝，加速了晶粒A的淘汰速率。随着抽拉速率的提高，磁场对减缓或加速晶粒的竞争淘汰作用逐渐减弱。磁场的施加在枝晶间产生的热电磁对流效应改变了发散双晶晶界处的溶质分布，从而影响枝晶在晶界处的侧枝生长，是导致晶粒竞争生长行为发生变化的主要原因。随着拉速的增加，磁场作用时间变短，热电磁对流效应对晶界处分枝作用的影响减弱。

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