鎳基高溫合金的案例
整機丨621所：航空發動機用鎳基鑄造高溫合金及熱處理工藝研究
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 洛林大學《Acta Materialia》：鎳基高溫合金[110]方向蠕變組織演變
由于鎳基高溫合金是研究擴散控制的相變、彈性和塑性之間的強耦合候選材料，筏化也成為了更多基礎研究的重點。大多數研究都集中在[100]定向單晶的蠕變特性上，因為[100]方向是單晶渦輪葉片的主應力方向，但是在葉片截面存在復雜冷卻過程時，其他方向上的應力可能也很大，因此有必要研究在更復雜的蠕變條件下的微觀組織演變和相關的力學行為。
法國洛林大學的研究人員使用3D和2D相場模擬研究了[110]蠕變載荷過程中鎳基高溫合金的組織演變，還研究了非均勻和各向異性對彈塑性驅動力的影響。相關論文以題為“Microstructure evolution under [110] creep in Ni-base superalloys”發表在Acta Materialia。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.116851
本研究使用了相場模型和先前開發的晶體可塑性模型。當塑性被限制在幾微米以下的區域時，它能夠解釋各向異性以及塑性的晶粒尺寸依賴性。它還包括針對滑行系統中位錯密度的
儲存
-恢復定律和位錯之間短程相互作用的硬化矩陣。該模型用于說明蠕變條件下鎳基高溫合金的微觀結構演變。在接近[110]的拉伸載荷下，對鎳基高溫合金在蠕變過程中的組織形成和演變進行了三維模擬。從立方結構開始，模擬得出了棒狀析出物在恒定應力下沿[110]方向形成的微觀結構。
展開 ：鎳基高溫合金界面位錯網絡的再偏析
錸（Re）是一種能夠顯著提高高溫鎳基合金屈服強度的元素。但是，并沒有得到廣大研究者的認同。因為大部分人推測Re原子的空間分布不是隨機的，而是以納米團簇的形式出現，因此障礙位錯運動。與此同時，一些研究人員聲稱，無法通過使用三維（3D）原子探針斷層掃描（APT）或擴展的X射線吸收精細結構光譜找到高溫合金中的Re團簇。最近，在單晶高溫合金的界面位錯核心處，發現了Re偏析，伴隨著Co和Cr偏析。Re的偏析可能會引起界面位錯并阻礙它們的運動，從而提高超級合金的抗蠕變性。但是，在Ni基高溫合金中，Re原子的空間分布和“Re效應”的機制仍不清楚。
【成果簡介】
近日，中國浙江大學張澤院士團隊的李吉學教授、余倩教授、丁青青博士(文章第一作者)與美國賓夕法尼亞州立大學的Long-Qing Chen合作，采用了亞埃分辨透射電子顯微鏡（TEM）和能量色散X射線光譜（EDS）分析了鎳基單晶高溫合金中錸（Re）的分布。發現Re原子在界面位錯核心附近的拉應力區域分離，形成“Cottrell大氣”，偏析過程由位錯管擴散促進。原位透射電子顯微鏡和掃描電子顯微鏡（SEM）應變研究表明，沿相界分布Re的位錯網絡充當了機械壁，有效地阻止了位錯運動和裂紋擴展。同時，Re分離的程度可以通過熱處理來調節。理論分析表明，這種顯著的合金化效應主要來源于Re局部組分應變與位錯應變之間的相互作用，導致界面位錯網絡顯著穩定。此結果為理解鎳基高溫合金力學性能中Re效應的起源提供了新的視角，有利于提高Ni基高溫合金的蠕變性能和設計高性能的不含Re高溫合金。相關成果以“Re Segregation at Interfacial Dislocation Network in a Nickel-Based Superalloy”為題發表在Acta Materialia上。
展開 3D打印鎳基單晶高溫合金
鎳基單晶高溫合金是航空航天等領域的關鍵材料，用于高溫零部件的制造。目前，這些零部件的制備工藝主要以定向凝固精密鑄造為主。對金屬3D打印技術而言，能否實現單晶組織的連續生長是一個巨大挑戰。以往的研究主要集中在利用3D打印技術分層疊加原理，對單晶基體（如燃氣輪機的渦輪葉片）進行修復，目前可以實現成形若干層單晶組織。
據研究人員報到，該研究成功的秘訣是采用了精確的工藝參數控制合金的熔化及凝固過程。研究者認為，所采用的工藝為何能夠制備出單晶仍需要深入分析，初步認為是所采用的掃描策略對晶粒的生長具有選擇效果，因而能夠實現單晶的制備。由圖1可以看出，制備的塊狀試樣上部縱截面上，枝晶細密且連續生長，沒有明顯的裂紋等缺陷。
該研究突破了較大體積鎳基高溫合金單晶組織的3D打印，使3D打印技術用于單晶高溫合金零部件的制造成為可能，對于3D打印技術進一步應用于航空航天等領域熱端零部件的制造具有重要意義。
來源：機械制造系統工程國家重點實驗室
展開 
鎳基高溫合金waspaloy(也叫GH4738)的J-C損傷參數d1-d5 ￥150
請問一下，誰有鎳基高溫合金waspaloy(也叫GH4738)的J-C損傷參數d1-d5?150rmb
高溫合金材料及標準化發展規劃（轉自材易通）
相對于其他2類高溫合金，鐵基高溫合金存在組織不夠穩定、抗氧化能力差、使用溫度較低等缺點。
鐵基合金GH1311的金相組織
（2）鎳基高溫合金
該類高溫合金以Ni為主要基體，并在基體中溶入了多種合金元素。如下圖所示為鎳基合金Inconel718的金相組織。從圖中可以看出，鎳基高溫合金也是以奧氏體為基體的一類合金材料，但其材料組織分布更為緊密，表現出更好的組織穩定性。相對于鐵基高溫合金，鎳基高溫合金中加入了更多種類的強化元素，保證了鎳基高溫合金具有更好的組織穩定性和耐腐蝕性，工作溫度更高。相對于其他2種類型的高溫合金，鎳基高溫合金存在疲勞性能差、塑性較低的缺點。
鎳基合金Inconel 718的金相組織
（3）鈷基高溫合金
該類高溫合金以鈷(Co)為基體，合金中Co元素比例占60%以上，同時在基體中還溶入了不同比例的Ni、Cr等合金元素，增強了耐熱性能，是目前綜合性能最為優異的一類高溫合金；但是，由于全球金屬鈷的產量相對缺乏，因此該類型高溫合金應用并不廣泛。
目前，從高溫合金的應用情況來看，鎳基高溫合金是使用最多的一類高溫合金，大部分航天發動機的渦輪葉片都采用鎳基合金制造。
3
按合金強化類型分
根據合金強化工藝，高溫合金主要分為固溶強化高溫合金和時效強化高溫合金2類。
展開 西工大《Scripta Mater》：揭示鎳基高溫合金γ/γ′界面的Re偏析！
雖然在鎳基單晶(Ni-SX)高溫合金的設計和開發中不考慮晶界的影響，但合金的失效行為仍然很復雜，涉及許多微觀效應，其中之一是基體擴散控制的γ′析出相的粗化行為。大量實驗表明，錸(Re)的加入能夠顯著降低γ′相的粗化動力學。已有研究表明，在Ni-Al-Cr合金中加入2% Re使γ′粗化動力學降低了約兩個數量級，然而對反應機理仍有不同的看法。在大多數報道中認為Re降低合金的擴散系數，從而提高高溫穩定性，有效地阻礙了γ′粗化。然而另有報道認為在γ基體中其他溶質的擴散率幾乎不受Re的影響。因此，Re對γ/γ′相的影響機理仍有待進一步研究和探索。
西北工業大學的研究人員揭示了Ni-SX高溫合金在長期時效過程中，界面上Re偏析的形成，深入探討了Re在Ni-SX合金中的作用，成功地確定了Re在γ/γ′界面的偏析現象以及Re與γ′粗化的相互影響。相關論文以題為“Unveiling the Resegregation at γ/γ′ interface inNi-based superalloy”發表在Scripta Materialia。
展開 航空發動機用粉末高溫合金及制備技術研究進展
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 這么美的航空發動機葉片，你見過嗎
話不多說，先上一波美照感受一下~
航空發動機上的國產高溫合金單晶葉片
單晶葉片技術的掌握意味著我國將大大提高大推重比發動機的生產能力，并將大大提高原有發動機的使用壽命。根據研究，葉片的溫度承受極限每提升25℃就可以使其在原有溫度下提升至原來壽命的3倍。
鈦合金葉片
羅爾斯-羅伊斯trent900鈦合金葉片
航空發動機上常用的轉子葉片以鈦合金（壓氣葉片）和高溫合金（渦輪葉片），較為普遍的壓氣葉片多以Ti-6Al-4V中等強度高損傷容限型鈦合金為主，在鈦合金譜系中，Ti-6Al-4V由于在耐熱、強韌、耐腐蝕、抗疲勞及可加工性方面具有較好的綜合性能，應用的最為廣泛，約占到了全部鈦合金應用的75%以上。
鎳基高溫合金葉片
鎳基高溫合金是現代航空發動機、航天器和火箭發動機以及艦船和工業燃氣輪機的關鍵熱端部件材料(如渦輪葉片、導向器葉片、渦輪 盤、燃燒室等)，也是核反應堆、化工設備、煤轉化技術等方面需要的重要高溫結構材料。
碳纖維復合材料葉片
這種復合結構要比目前普遍使用的鋁、鋼和鈦的合金材料輕一半，強度和耐熱性幾乎相同。
陶瓷材料葉片
GE旋轉陶瓷復合材料的噴氣戰斗機發動機葉片
在渦輪葉片表面涂覆金屬及陶瓷材料，可以提高金屬的耐熱溫度，發動機的性能及安全性，然而這種技術還處于發展階段，但就目前的發展情況來看，這種方法是可靠的。
展開 美國空軍研究實驗室Metall. Mater. Trans. A：解密航空材料的焊接技術
然而，對于鎳基高溫金，在IFW期間會在焊接界面處或其附近產生各種缺陷，包括氧化物/碳化物薄膜，氣孔鏈和裂縫，嚴重影響焊接后構件的性能。最近，有學者對鎳基高溫合金慣性摩擦焊接行為進行了研究，并討論了IFW工藝參數與焊接性能及焊后性能之間的關系。
【成果簡介】
近日，來自美國空軍研究實驗室的O. N. Senkov (通訊作者)等人在Metall. Mater. Trans. A上發布了一篇關于鎳基高溫合金慣性摩擦焊的文章，題為“A Comparison of the Inertia Friction Welding Behavior of Similar and Dissimilar Ni-Based Superalloys”。 作者測定了相似(LSHR至LSHR或Mar-M247至Mar-M247)和異種(LSHR至Mar-M247)合金的慣性摩擦焊接行為。確定了IFW工藝參數與焊接響應之間的關系，例如飛輪機械能轉化為連接樣品熱的動力學和效率，焊接持續時間，閃光形成動力學和粘結質量，并確定了獲得良好焊接的條件。
研究結果表明，異種合金焊接期間每種合金的力學性能與相似合金焊接期間相應合金的行為表現近乎一致。相比之下，熱影響區的微觀結構，顯微硬度和厚度則取決于IFW期間所使用的合金種類。
展開 GH4169材料實際反擠壓與數值模擬分析對比研究
GH4169 合金美國牌號為Inconel718 合金，GH4169 合金是一種鎳基高溫合金，它在高溫條件下具有強度高，抗氧化、抗輻照、熱加工性能和焊接性能好的特點。其合金元素較多，現在為航空、航天以及核電、石油領域大量應用的關鍵材料，尤為在發動機領域應用較多。隨著發動機領域不斷向前發展，使得GH4169 合金的應用領域不斷擴大，用量也日益增加，目前已成為使用面最廣、產量最大的一種鎳基高溫合金。
GH4169 合金是以體心四方γ＂相和面心立方γ＇相沉淀強化的鎳基高溫合金，合金在-253℃～ 700℃之間具有較高的抗拉強度、屈服強度、持久強度和塑性。在現代航空發動機制造工業中，GH4169 被稱為高溫合金性能之王。本次主要討論GH4169 鋼管反擠壓管坯成形技術，并通過Deform 數值模擬對管坯反擠壓成形工藝進行對比研究。
反擠壓法
坯料從模孔中流出部分的運動方向與凸模運動方向相反的擠壓方法為反擠壓，管材、棒材與型材生產都可以采用反擠壓，金屬反向擠壓成形具有一百多年的歷史，但是實際應用近些年才開展，圖1 所示為典型反擠壓示意圖。
1- 凸模 2- 凹模 3- 坯料
圖1 典型反擠壓示意圖
在實際應用過程中，反向擠壓具有以下特點：⑴擠壓速度可以提高。可以降低坯料在轉移過程中的溫度損耗，維持坯料外表面高溫下流變應力，減小擠壓過程產生的擠壓力。⑵減小摩擦力。反擠壓過程中，凹模與坯料之間有很少的相對運動，摩擦力主要集中于凸模與坯料之間，所以反擠壓可以大幅度減小摩擦造成的擠壓力。⑶組織性能均勻，提高產品成品率。坯料外表面尺寸精度良好，可生產高精度產品。
數值模擬
本次模擬采用Deform 對GH4169 反向擠壓管坯進行有限元模擬分析，模擬過程中簡化模具，采用旋轉對稱繪制模具與坯料，達到有限元分析目的，具體簡化后圖形如圖2 所示。
展開 
哈理工吳明陽教授團隊為您講述高溫合金切削加工中的切屑折斷機理
高溫合金具有優良的高溫強度、熱穩定性和熱疲勞性，在高溫下具有屈服強度高、組織性能穩定的特點，被廣泛應用于航空、航天領域。但由于其導熱性差和表面加工硬化嚴重等特點，使其切削加工性能較差，高溫合金在切削加工過程中，產生大塑性變形和較高切削溫度，同時產生不易折斷的切屑纏繞工件和刀具，如圖1所示，影響刀具壽命并且降低加工效率，右圖已加工材料的表面質量，可以看出已加工表面具有嚴重的劃痕，其形成原因是加工過程中切屑不易折斷，纏繞工件對工件表面造成損傷。
圖1 PCBN 切削GH4619 切屑纏繞及對加工表面損傷
難加工材料在傳統切削過程中經常產生大的切削力、切削熱及不易折斷的切屑，導致刀具早期破損，降低加工效率，尤其是鎳基高溫合金這類難加工材料在加工過程中因切屑不易折斷造成刀具破損，降低加工效率。PCBN 刀具具有較高的硬度、耐熱性、化學穩定性等，其作為一種超硬刀具材料在加工高溫合金方面具有較大潛能。通過對PCBN 刀具切削高溫合金GH4169 切屑進行試驗研究，得到不同切削參數下的切屑形態，如圖2所示。
圖2 不同切削參數下GH4169 切屑形態
由圖 2 可以看出，加工過程中隨著進給量增加，切屑折斷性能降低，切屑纏繞現象明顯增加；切屑折斷性能隨切削速度、切削深度的增加有所提升，但切屑纏繞現象依然嚴重。試驗結果表明：常規切削條件下，PCBN 刀具切削GH4169 斷屑困難，易產生纏繞刀具和工件現象，造成工件損傷，降低刀具壽命，影響加工效率。
展開 陶瓷3D打印領導者3DCERAM將攜多材料增材制造解決方案及眾多行業應用案例亮相 2021 TCT
右圖為3DCERAM與與世界著名的航空發動機研發單位烏克蘭伊夫琴科-進步設計局，合作采用3D打印技術制備SILICORE材質陶瓷型芯，并完成鎳基高溫合金葉片澆鑄。（詳見南極熊之前報道《3D打印航發鎳基高溫合金葉片陶瓷型芯逐漸成熟，3DCERAM與烏克蘭伊夫琴科-進步設計局合作》）
基于3DCERAM設備高度開放的軟件系統和光固化打印技術廣泛的適用性，目前可打印的材質已不限于常規的氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷，山東大學等相關單位開始利用光固化技術制備鐵氧體材料、高熵合金、高溫合金等，當然也包括在參與的3D打印制備燃料電池項目計劃中的陶瓷/金屬復合光固化3D打印。
因此從2021起推出了“打印材料開放計劃”，旨在通過與相關材料研發單位合作，推動打印材料本土化，同時推進光固化陶瓷打印材料、光固化金屬打印材料、光固化復合打印材料的研發及在相關領域的應用。目前已有數所高校研究所加入該計劃，熱忱歡迎更多專家學者工程技術人員屆時到C36展臺溝通交流。
5月26日-28日TCT 3D打印大會，技術、設備、材料、軟件、應用全面報道：
①南極熊3D打印網https://www.nanjixiong.com
②【南極熊3D打印】手機APP
③【南極熊3D打印】微信公眾號
④【南極熊3D打印】微信視頻號
⑤【南極熊3D打印】直播平臺
⑥【南極熊3D打印】抖音號
請關注。
火熱的2021TCT 3D打印大會，【南極熊3D打印】手機APP已經特別設置展會專區，現場報道新鮮有料的資訊，請到各大應用商店下載體驗。
展開 鎳基高溫合金IN738激光選區熔化中預熱溫度對熔池演化的影響 | FLOW-3D AM
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
Center for Adaptive System Engineering, ShanghaiTech University
上海科技大學智造系統工程中心
一、研究背景
? 基板預熱如何影響IN738熔池的凝固行為？
? 基板預熱如何影響IN738的開裂行為？
二、研究方法
1.離散元方法構建粉床模型（FLOW-3D -DEM）
2.確定激光選區熔化的邊界條件，構建熱流CFD模型（FLOW-3D -Weld）
3.使用上述模型研究單道、多道熔池的溫度場和流動行為
三、研究結果 - 單道熔池形貌仿真與實驗對比
熔池形態對比
冷卻速率分布
固相率分布
四、研究結果 - 單道熔池孔隙形成
孔隙現象也會隨著不同的能量密度以及預熱情況而產生變化。幾種具有代表性的工藝參數條件下孔隙形成的截面圖（Y-Z平面）如圖所示。
五、研究結果 – 裂紋
凝固方式：邊緣由外向內/中線沿著掃描方向
展開 這款國產軟件打破了國外壟斷 對我國先進航空發動機研制意義重大
項目簡介
“航空發動機高溫合金葉片定向凝固多尺度建模與仿真技術及工程應用”項目由清華大學等單位完成。
清華大學材料學院教授、博導許慶彥帶領團隊在國內率先開展了航空發動機單晶高溫合金渦輪葉片建模與仿真系統的深入研究，研發了具有完全自主知識產權的單晶高溫合金定向凝固多尺度模擬軟件系統。項目對單晶高溫合金渦輪葉片定向凝固過程開展了宏觀、微觀多尺度耦合建模，并發明射線追蹤計算熱輻射的方法，解決了抽拉過程中熱輻射的大規模計算難題，提出了分層計算方法，克服了多尺度耦合時計算量巨大的難題；建立了拉速自動優化模型，并提出自適應抽拉技術；改進了實際溫度場分布下晶粒競爭生長模型，提出了晶體取向模擬方法、螺旋選晶器結構參數的設計準則和晶體取向控制方法。
項目成果已成功應用于渦輪葉片的制造，是國內航空發動機單晶渦輪葉片研制中首次應用的國產軟件，填補了國內空白。（圖為單晶葉片定向凝固過程示意圖）
名詞解釋
單晶葉片
這是航空發動機渦輪葉片的一種類型，通常是指由鎳基單晶高溫合金制備的、只由一個柱狀晶體構成的鑄造葉片。鎳基單晶高溫合金是含有鎳、鋁、鈷、鉻、鉬、錸、鉭、鈦、鎢等多種元素并采用定向凝固和籽晶或選晶技術制造的具有單一柱狀晶組織的合金體。
展開 