高溫合金
關注創建者：劉豐軍 創建時間：2017-05-23
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。
免費 4分鐘 6播放
查看
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。
免費 3分鐘 2播放
查看
切削加工有限元仿真技術的現狀與展望
以鈦合金、高溫合金為代表的關鍵結構材料，因其高強度、高硬度及優良的耐高溫性能，在航空航天、能源裝備等領域不可或缺，但其加工過程中普遍存在切削力大、刀具磨損快、表面質量難以控制等問題，傳統試錯法已無法滿足現代制造對效率與精度的雙重需求。 有限元仿真技術作為連接理論分析與實際生產的橋梁，通過建立材料本構模型、刀具-工件接觸模型及熱力耦合模型，能夠在虛擬環境中精確模擬切削過程的動態行為。
免費 3分鐘 1播放
查看
高溫合金的實例教程
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 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 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 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 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 
高溫合金的最新內容
對于高溫合金、鋁合金薄壁件、微尺度構件等問題，如果材料存在明顯織構或晶粒尺度效應，將晶體塑性與結構有限元耦合，能夠提供比傳統本構更豐富的物理信息。
我們可以將我之前推文提到的umat-taylor模型轉化為vumat子程序，進一步使用晶體塑性模型模擬大變形結構尺度材料變形行為。
選購提升閥配件時應注意哪些要點？1個月前
明確工況需求是首要前提
不同的應用場景對提升閥的材質、壓力等級、介質兼容性等要求差異顯著，例如在食品、醫藥等潔凈環境中，需選擇符合FDA認證的不銹鋼材質；而在高溫、腐蝕性氣體環境中，則應優先考慮耐腐蝕、耐高溫的特種合金材料，諾冠提供全系列材質與密封方案，可根據客戶具體工況定制選型。
2.
切削液的主要應用行業解析2個月前
該行業以鈦合金、高溫合金、高強度鋁合金等難加工材質的精密加工為主，如飛機發動機葉片、航天器精密結構件、航空緊固件的切削與磨削，加工工況復雜、精度要求極高，切削液需具備超強抗磨性、高溫穩定性和良好的防銹性，既能滿足高負荷加工的潤滑冷卻需求，又能避免精密部件出現腐蝕、表面劃傷等問題，保障航空航天產品的品質與安全性。 電子電器制造行業以精密小件加工為主，切削液的應用側重清潔性與防銹性。
其高溫合金與特種不銹鋼鑄件通過 AS9100D 航空航天質量體系認證，技術壁壘極高，是中國少數能替代進口的關鍵部件供應商之一。
· ● 項目積淀：參與“華龍一號”核電站、C9 飛機等國家重大專項，核電鑄件國內市場占有率超 60%。
· ● 優勢賽道：專精于核一級安全殼、超臨界火電閥體等高純凈度、高致密度五金沖壓件加工制造。
o 支持材料熱導率、比熱容隨溫度變化，適配高溫合金、復合材料等非線性場景。
3. Fluent 模塊
o 輻射模型可選 DO（離散坐標法）、S2S（表面 - 表面）、P1（半透明介質），適合火焰、高溫爐等強輻射環境。
o 流固耦合時可通過 System Coupling 實現雙向數據傳遞，適合流體主導的傳熱問題（如翅片換熱器）。
4.
技術細節：氫氣滲透導致的高溫合金（GH3536）氫脆問題。這個議題直接下沉到了微觀組織（晶格、相界面）的擴散模擬。
趨勢：宏觀設備仿真+微觀材料第一性原理計算的結合，這種多尺度耦合建模在能源行業（特別是氫能）越來越重要了？
【一點感想】
看完這些議題，感覺現在仿真技術的要求越來越綜合了：
1.多物理場、多尺度耦合是標配。
數值案例如下：
建立一個包含20個晶粒8000個單元的RVE模型，如下所示
給定對應的初始形核臨界位錯密度和初始的形核率計算公式以及晶界遷移率公式，通過施加周期性邊界PBC沿著X方向壓縮45%（使用鎳基高溫合金的材料參數）。
2、航空高溫合金件則面臨嚴苛環境和微孔測量難題，更關鍵的是，航空深孔常位于多階復合腔體內部。如渦輪燃油噴嘴的微孔需使用超細鎢鋼測針，在長徑比下，測針彎曲誤差可達微米級。這要求三坐標檢測具備納米級觸發靈敏度與多階溫度補償算法，以克服“測針撓曲-材料剛性-熱變形”的耦合效應。
creep.for
免費分享不帶損傷的UMAT蠕變本構，需要Sinh損傷本構的請移步高溫合金蠕變損傷本構/UMAT子程序/Sinh 蠕變損傷本構/論文復現_本構模型 損傷模型-技術鄰
圖2 循壞載荷下的應力應變曲線
300 K 時的循環應力-應變曲線如圖2所示，當高溫合金受到循環加載時，最大應力隨循環次數的增加而增大，即首先發生應力循環硬化，這主要是由于初始缺陷的積累，如位錯、堆垛層錯等。隨著加載的進行，循環應力-應變曲線在最后幾個循環中基本一致。隨著循環次數的增加，最大應力趨于穩定并達到循環飽和狀態，這符合金屬的循環變形特征。
