變形高溫合金
關注創建者：中學僧 創建時間：2019-01-10
變形高溫合金的視頻教程
航空制造中的切削溫度與殘余應力控制：高溫合金與鈦合金加工
隨著我國航空航天等技術密集型產業飛速發展，各種超耐熱、耐磨損、耐腐蝕合金等難切削材料的精密制造需求日益突出。高溫合金如 GH4169 及鈦合金作為航空航天領域關鍵結構材料，其加工過程面臨切削溫度高、刀具磨損快、表面質量控制難等共性問題。GH4169 鎳基高溫合金和鈦合金均屬于典型難加工材料。工程實踐表明，零部件疲勞破壞多起源于表面或近表面區域，加工表面完整性已成為評價制造質量的核心指標。
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預應力切削技術：如何提升陶瓷刀具加工鎳基高溫合金的壽命？
這種技術優勢為解決陶瓷刀具加工鎳基高溫合金時的磨損率高、壽命短等問題提供了新的技術途徑，具有重要的理論研究價值和工程應用前景。
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變形高溫合金的實例教程
《中國航空材料手冊》第2卷.變形高溫合金.鑄造高 第10卷
《中國航空材料手冊》第10卷.pdf
《中國航空材料手冊》第2卷.變形高溫合金.鑄造高.pdf
近年來，我國科技人員解決了高溫合金熱變形加工中存在的關鍵性問題，在許多高難度變形高溫合金構件的制造研發中取得了重大成果，其中有我國自主研發的GH4169變形高溫合金。
（2）鑄造高溫合金
這是一類通過鑄造的方法，直接加工所需構件的高溫合金材料，具有合金化程度高、抗蠕變性能好等特點。近年來，用于航空發動機的材料已經逐步轉換為鑄造高溫合金，其中高溫合金K403具備優良的鑄造性能，可制造復雜的精鑄件。
（3）粉末高溫合金
這是一類以精細金屬粉末為原料，采用熱等靜壓和等溫鍛造等方法加工而成的高溫合金材料。粉末高溫合金解決了傳統高溫合金偏析嚴重、成型困難等問題，具有屈服強度高、晶粒細小、疲勞性能優異等特點，例如我國自主研發生產的FGH96合金是生產航空發動機的渦的首選材料。
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按基體元素分
（1）鐵基高溫合金
該類高溫合金以鐵(Fe)為主要基體，并加入了不同比例的鎳(Ni)、鉻(Cr)等合金元素，制造成本較低，多用于工作溫度低的環境，如使用溫度較低的燃氣機的渦，以及一些承力件和緊固件。如圖所示為鐵基合金GH1311的金相組織。從圖中可以看出，鐵基高溫合金的顯微組織由一些等軸狀的多邊形晶粒構成，屬于典型的奧氏體結構，保證了鐵基高溫合金具有足夠的強度和一定的韌性。
展開 本文主要論述了鎳基鑄造高溫合金及其熱處理工藝技術的研究進程，并對其進行了總結和分析，對未來進行展望，為后續的工業生產提供參考。
1 鎳基鑄造高溫合金的發展歷程
鎳基鑄造高溫合金是高溫合金領域中的重要組成部分，在各類精密鑄件生產過程中具有較為突出的優勢，其主要原因就是這種材料耐高溫、高抗氧化和耐腐蝕性的性能。早期的鎳基高溫合金主要為變形合金，在20 世紀50 年代后期，隨著航空發動機技術的發展，發動機渦輪部件的承溫能力要求越來越高，這就對高溫合金的強度和使用溫度提出了更高的要求。而提升鎳基高溫合金強度的方法便是提高合金的合金化程度，導致鎳基高溫合金越來越難以變形甚至不能變形，只能采用鑄造工藝生產。另外，隨著發動機葉片設計技術的發展，出現了空心氣膜孔冷卻葉片。這種具有復雜內腔的空心葉片，只能夠采用熔模鑄造的工藝進行生產。在這種需求下，國內外逐漸發展出了一系列具有良好高溫性能的鎳基鑄造高溫合金牌號。
鎳基高溫合金材料在20 世紀40 年代初期的英國被首次發現，其在噴氣式航空領域的應用使很多工業生產商注意到了合金材料性能的重要性。英國于1941 年首先生產出鎳基合金Nimonic75 (Ni-20Cr-0.4Ti)，在之后很長一段時間內，美國和蘇聯等發達國家也先后研制成功類似的合金材料，而中國在20 世紀50 年代后期也相繼開發出了一些相同性質的合金材料。
研究鎳基鑄造高溫合金的發展歷史就不難發現，它大致有兩個方向的研究路徑：一是通過對合金成分的調整和組合，研究不同元素添加比對合金性能的影響，進而獲取最優的元素和成分比；二是通過對鎳基鑄造高溫合金生產工藝、生產設備的優化和改進，提升合金的制備技術。
展開 高溫合金(渦輪盤、渦輪葉片等)被譽為燃氣渦輪的心臟，一直受到冶金工作者的關注[1~4]。早期變形高溫合金的強度提高主要是通過合金化來實現，但隨著使用溫度和合金強度要求的不斷提高，其合金化程度也越來越高，以至于鑄錠的合金元素偏析嚴重，熱工藝塑性惡化，使常規鑄鍛工藝制造渦輪盤時變形加工變得非常困難，粉末冶金高溫合金的應用是解決這一問題的有效途徑[5~9]。20世紀60年代初，氣霧化粉末制備技術開始興起，1965年發展了高純高溫合金粉末制備技術[10,11]，隨后制備出粉末高溫合金渦輪盤[12]，并于20 世紀70 年代首先應用于軍用飛機發動機上。粉末高溫合金的優勢在于，霧化制粉過程中微米級直徑的合金液滴快速凝固形成粉末顆粒，粉末組織均勻、晶粒細小，多為細樹枝晶或胞晶。從Ar 氣霧化高溫合金粉末[13]和普通鑄造鎳基高溫合金[14]的顯微組織中可知，粉末的枝晶間距較傳統鑄造高溫合金小1 個數量級以上，其成分偏析也被限制在球形粉末顆粒內細小的枝晶尺度范圍內，從而達到均質化的目的。
采用粉末高溫合金可顯著提高力學性能和熱工藝性能。近幾十年，隨著合金和制備技術的快速發展，粉末高溫合金已成為目前高性能航空發動機渦輪盤的首選材料。
1 粉末高溫合金的發展
1.1 歐美和我國粉末高溫合金的發展
歐美發達國家和我國在先進航空發動機中廣泛采用粉末高溫合金渦輪盤，先后研制出四代粉末高溫合金(圖1)，在軍、民用航空發動機中得到了應用。典型的粉末高溫合金成分如表1[5,15,16]所示。
展開 高溫環境下，蠕變斷裂是渦輪葉片主要的失效形式之一。隨著渦輪后燃氣溫度從20世紀50年代的1150K增加到現在的2000K，蠕變將導致葉片的塑性變形過大甚至產生蠕變斷裂。
高溫合金蠕變斷口，來源小木蟲
腐蝕。腐蝕來自于葉片所受的高溫燃氣。高溫燃氣對葉片的腐蝕既包括沖刷造成的腐蝕，也包括高溫燃氣對金屬葉片的氧化腐蝕。腐蝕會降低葉片的性能，當腐蝕達到一定程度，葉片材料性能不能滿足要求時，就會發生斷裂。
葉片的斷裂除此還和材料和制造手段有一定的關系，下面小編介紹一下葉片的材料和主要制造技術。變形高溫合金葉片葉片材料。變形高溫合金發展有50多年的歷史，高溫合金中隨著鋁、鈦和鎢、鉬含量增加，材料性能持續提高，但熱加工性能下降；加入昂貴的合金元素鈷之后，可以改善材料的綜合性能和提高高溫組織的穩定性。
高溫合金葉片
制造技術。變形高溫合金葉片的生產是將熱軋棒經過模鍛或輥壓成形的。模鍛葉片主要工藝如下：鐓鍛榫頭部位；換模具，模鍛葉身，通常分粗鍛、精鍛兩道工序。模鍛時，一般要在模腔內壁噴涂硫化鉬，減少模具與材料接觸面阻力，以利于金屬變形流動；精鍛件，機加工成成品；成品零件消應力退火處理；表面拋光處理。分電解拋光、機械拋光兩種。
常見問題：鋼錠頭部切頭余量不足，中心亮條缺陷貫穿整個葉片；GH4049合金模鍛易出現鍛造裂紋；葉片電解拋光中，發生電解損傷，形成晶界腐蝕；GH4220合金生產的葉片，在試車中容易發生“掉晶”現象；這是在熱應力反復作用下，導致晶粒松動，直至剝落。
發動機葉片嚴重腐蝕
葉片是航空發動機關鍵零件它的制造量占整機制造量的三分之一左右。航空發動機葉片屬于薄壁易變形零件。
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關鍵詞：lammps；彎曲，CuAl合金，塑性變形，應力集中
彎曲是指材料或結構在受到外力作用時，沿著其軸線方向發生形變，從而呈現出弧形或角度變化的現象。這種形變通常由機械壓力、彎曲試驗、復雜工況中的受力狀況等因素引發。在實際應用場景中，彎曲的形式多樣，可表現為均勻彎曲、局部彎曲等多種模式。彎曲的程度主要依據材料的彎曲角度、曲率半徑以及所受的彎曲力大小來衡量。在較小的彎曲角度和曲率半徑、較輕的彎曲力作用下
Weihao Wang, et al. Mesoscopic evolution of molten pool during selective laser melting of superalloy Inconel 738 at elevating preheating temperature
https://doi.org/10.1016/j.matdes.2021.110355
文章doi：10.1016/j.ijplas.2019.04.009
推薦理由：作者通過原位拉伸實驗和基于位錯密度的晶體塑性模型研究了圓柱形孔以及不同取向對于單晶鎳基高溫合金變形行為的影響，作者研究揭示了孔的添加會導致多軸應力狀態，有利于塑性變形和各向異性塑性，而對于多孔試樣，孔隙之間相互作用會引起某些區域滑移，從而增強側孔附近的塑性滑移而抑制中心孔周圍塑性滑移，從而造成孔隙之間的非均勻變形造成裂紋出現
早期的鎳基高溫合金主要為變形合金，在20 世紀50 年代后期，隨著航空發動機技術的發展，發動機渦輪部件的承溫能力要求越來越高，這就對高溫合金的強度和使用溫度提出了更高的要求。而提升鎳基高溫合金強度的方法便是提高合金的合金化程度，導致鎳基高溫合金越來越難以變形甚至不能變形，只能采用鑄造工藝生產。另外，隨著發動機葉片設計技術的發展，出現了空心氣膜孔冷卻葉片。
對于粉末高溫合金，其低溫熱腐蝕過程與變形高溫合金類似。除了對粉末高溫合金熱腐蝕層中氧化、硫化產物進行表征外，國內外學者還從氧化深度、表面腐蝕形貌、腐蝕坑深度/直徑來表征熱腐蝕過程的損傷演變。
早期變形高溫合金的強度提高主要是通過合金化來實現，但隨著使用溫度和合金強度要求的不斷提高，其合金化程度也越來越高，以至于鑄錠的合金元素偏析嚴重，熱工藝塑性惡化，使常規鑄鍛工藝制造渦輪盤時變形加工變得非常困難，粉末冶金高溫合金的應用是解決這一問題的有效途徑[5~9]。
本文首先設計FGH97合金高溫氧化試驗，以某GH97合金渦輪盤為例，模擬FGH97合金試件的高溫氧化過程；然后，觀察試件表面氧化皮顏色特征，明確氧化皮成分，推導出FGH97合金渦輪盤破裂失效時的工作溫度；最后，對不同溫度下FGH97合金的氧化過程進行分析和討論，得到FGH97合金的高溫氧化機理。
1 高溫氧化試驗
試件材料與合金渦輪盤源于同一批母材，主要化學成分如表1所示
前言
原文限于篇幅，沒有包含加工工藝。本文作為補充內容，介紹航空用高溫合金的加工工藝，包括鑄造工藝、鍛造工藝，以及鑄件、鍛件在航空發動機零部件的應用。
注：高溫合金原材料的加工還有熔煉工藝，可以參考轉發的文章
鎳基合金VIM+ESR+VAR三大熔煉工藝簡析 (qq.com)
鑄造工藝
航空發動機零件使用最多的是熔模鑄造工藝，特點是可以獲得最終尺寸的零件，并且成本相對較低
2023年6月4日，南極熊獲悉，來自麻省理工學院的工程師團隊報告了一種簡單、廉價的方法來制備陶瓷納米纖維強化 Inconel 718材料，以用于金屬 PBF 增材制造工藝。研究團隊認為，他們的這種采用陶瓷納米線強化3D打印金屬粉末的方法同樣可用于改進許多其他材料。航空航天和能源生產領域許多重要應用的關鍵材料必須能夠承受高溫和拉伸應力等極端條件而不會失效，所以，MIT開發的這種新型強化高溫合金在航空航天等高要求領域有著廣闊的應用前景
鋁合金變形程度過大，形成織構；高溫合金變形溫度過低，形成混合變形組織時也可能引起粗大晶粒
晶粒粗大將使鍛件的塑性和韌性降低，疲勞性能明顯下降。
晶粒不均勻
晶粒不均勻是指鍛件某些部位的晶粒特別粗大，某些部位卻較小。產生晶粒不均勻的主要原因是坯料各處的變形不均勻使晶粒破碎程度不一，或局部區域的變形程度落人臨界變形區，或高溫合金局部加工硬化，或淬火加熱時局部晶粒粗大。
