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ISSN 0412-1961
CN 21-1139/TG
创刊于 1956 年 (月刊)
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  2019年, 第55卷, 第9期 刊出日期:2019-09-11 上一期    下一期
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高温合金专刊
高温合金专刊前言
仲增墉
金属学报. 2019, 55 (9): 3-4.  
摘要   HTML   PDF (1959KB)
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综述
我国典型金属间化合物基高温结构材料的研究进展与应用
宫声凯, 尚勇, 张继, 郭喜平, 林均品, 赵希宏
金属学报. 2019, 55 (9): 1067-1076.   DOI: 10.11900/0412.1961.2019.00148
摘要   HTML   PDF (17147KB)

金属间化合物是由2种或2种以上金属元素或金属元素与类金属元素按照一定原子比组成的化合物。共价键、金属键共存的特点使得金属间化合物在较长范围内存在长程有序的超晶格结构。在高温下,金属间化合物的位错迁移率相对降低,从而具有较高的高温强度。典型的结构金属间化合物如Ti-Al、Ni-Al、Nb-Si有着优异的高温强度和较低的密度,非常适合应用于航空航天器的高温结构件中。但此类材料也存在室温断裂韧性较低、高温抗氧化性能差等问题,使其在应用上受到限制,也成为该领域研究的难点与重点。本文着重介绍近年来我国Ti-Al、Ni-Al、Nb-Si系结构金属间化合物基合金在高温强化、增韧、抗氧化、制备技术等方面的研究进展与应用现状。

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镍基单晶高温合金的研发进展
张健,王莉,王栋,谢光,卢玉章,申健,楼琅洪
金属学报. 2019, 55 (9): 1077-1094.   DOI: 10.11900/0412.1961.2019.00122
摘要   HTML   PDF (30808KB)

本文概述了近年来镍基单晶高温合金的研发进展。在合金研制方面,总结了单晶合金近几年的发展及其成分设计方法。针对单晶合金常见的变形和损伤、失效机制,分别介绍了单晶合金蠕变、疲劳、氧化及热腐蚀机理,以及单晶合金中常见缺陷对力学性能的影响。在单晶叶片制造工艺方面,总结了高速凝固、气冷、液态金属冷却、以及流态床冷却等几种常见定向凝固工艺的研发和应用现状,并介绍了单晶叶片中几种常见缺陷的形成机制和相关控制技术。此外,本文还讨论了单晶高温合金及单晶叶片在应用基础研究领域面临的困难和挑战。

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变形高温合金盘材及其制备技术研究进展
张北江,黄烁,张文云,田强,陈石富
金属学报. 2019, 55 (9): 1095-1114.   DOI: 10.11900/0412.1961.2019.00078
摘要   HTML   PDF (51115KB)

近年来一系列新型的高性能变形高温合金盘材在航空发动机和燃气轮机上获得了重要应用,这些盘材合金在追求高承温能力的同时更加注重服役性能、工艺性能与全寿命成本之间的平衡。国内在三联熔铸直径508 mm自耗锭、多重循环热机械处理制备直径300 mm以上细晶棒材、盘件热模锻成型与组织性能控制等关键制备技术取得突破的基础上,成功研制了GH4065、GH4720、GH4175与GH4975等一系列高性能盘材合金及全尺寸锻件,为先进军用涡扇发动机、大涵道比商用发动机提供了高可靠性、低成本的盘件选材方案。为充分发扬变形盘材在可靠性与成本方面的特有优势,需要在高性能盘材的合金设计与成分优化、自耗锭冶金缺陷的预防与识别、自由锻开坯的效率与成材率提升、双组织双性能盘件制备等方面进一步开展深入的研究工作。

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国内变形高温合金研制进展
杜金辉,吕旭东,董建新,孙文儒,毕中南,赵光普,邓群,崔传勇,马惠萍,张北江
金属学报. 2019, 55 (9): 1115-1132.   DOI: 10.11900/0412.1961.2019.00142
摘要   HTML   PDF (38676KB)

变形高温合金是指通过铸造-变形工艺生产的高温合金,包括盘、板、棒、丝、带、管等产品,该类产品广泛用于航空、航天、能源、石化、核电等工业领域。本文介绍了国内变形高温合金近10年的最新进展,分别从变形高温合金的制备工艺流程,GH4169G、GH4169D、GH4065、GH4068等新合金的研制,以及FGH4096的变形化、NGH5011的氮化、In718合金的3D打印等新技术3个方面展开论述。

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航空发动机用粉末高温合金及制备技术研究进展
张国庆,张义文,郑亮,彭子超
金属学报. 2019, 55 (9): 1133-1144.   DOI: 10.11900/0412.1961.2019.00119
摘要   HTML   PDF (20457KB)

本文概述了我国粉末高温合金及制备技术的研究进展。在粉末制备方面,重点介绍了Ar气雾化制粉技术关键因素,包括设备、雾化过程、粒度控制、O含量控制、粉末形貌控制和夹杂控制等。针对涡轮盘件制备技术,总结了双性能涡轮盘、双合金整体叶盘技术和等温锻造模具用材料的研究进展。此外,还介绍了在粉末高温合金高通量实验和表征以及蠕变行为等方面的研究进展。结合当前航空发动机、3D打印等高端工程用材料重大需求,对我国粉末高温合金制备技术和发展方向进行了展望。

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镍基铸造高温合金等轴晶凝固成形技术的研究和进展
张军,介子奇,黄太文,杨文超,刘林,傅恒志
金属学报. 2019, 55 (9): 1145-1159.   DOI: 10.11900/0412.1961.2019.00088
摘要   HTML   PDF (25770KB)

等轴晶镍基铸造高温合金具有制造成本低、中低温力学性能优异等优点,被广泛应用于航空航天等领域。航空发动机机匣是典型的中低温条件下使用的等轴晶高温合金铸件,结构复杂化、尺寸精确化和薄壁轻量化是其发展趋势,而精确成形和凝固组织的协同控制是实现这类铸件精密铸造的重大技术难题。与之相对应,对高温合金整体结构铸件的材料、铸造技术、组织控制和力学性能的要求也越来越高。本文结合近年来课题组承担的相关科研工作,从铸造高温合金的发展和应用、组织控制方法、计算模拟及新型工艺等方面,介绍了等轴晶镍基铸造高温合金及其凝固和成形技术的相关研究和进展。

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高温合金盘锻件制备过程残余应力的演化规律及机制
毕中南,秦海龙,董志国,王相平,王鸣,刘永泉,杜金辉,张继
金属学报. 2019, 55 (9): 1160-1174.   DOI: 10.11900/0412.1961.2019.00089
摘要   HTML   PDF (23787KB)

高温合金盘锻件制备工艺过程中形成的内部残余应力是涡轮盘件尺寸精度和使用稳定性的重要影响因素。本文综述了高温合金盘锻件内部残余应力的中子衍射法和轮廓法测试技术,以及残余应力在固溶淬火、时效热处理和零件加工过程的分布特征、演化规律和内在机制:高温合金盘锻件的内部残余应力主要源于淬火过程的温度梯度,以弦向和径向应力为主,沿截面轮廓呈“内拉外压”特征分布,其数值与淬火态合金的屈服强度相当;时效热处理后小部分残余应力通过塑性变形和蠕变释放;热处理过程中强化相的析出与残余应力演化存在显著交互影响;零件加工过程中,残余应力会随着加工余量脱离本体而被部分释放,残余应力在再平衡过程发生变化所引起的附加力矩是加工变形的主要原因。

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高温合金涡轮叶片定向凝固过程数值模拟研究进展
许庆彦,杨聪,闫学伟,柳百成
金属学报. 2019, 55 (9): 1175-1184.   DOI: 10.11900/0412.1961.2019.00126
摘要   HTML   PDF (16856KB)

高温合金涡轮叶片被广泛应用于航空发动机与燃气轮机,数值模拟技术能优化和改进涡轮叶片定向凝固工艺,提高成品率。本文总结了国内外高温合金涡轮叶片定向凝固过程宏、微观数值模拟模型,介绍了其发展趋势。对高速凝固(HRS)和液态金属冷却(LMC) 2种工艺下高温合金叶片宏观温度场、介观晶粒组织与微观枝晶组织做了模拟仿真,对比分析了2种定向凝固工艺下的传热过程和微观组织演化规律。介绍了变抽拉速率工艺在高温合金定向凝固中的应用,以实际叶片作为算例,对比了常抽拉速率与优化的变抽拉速率对涡轮叶片温度场、晶粒组织的影响。结果表明,优化的变抽拉速率工艺能够改变上凸或者下凹的糊状区形状,得到平直的糊状区与平行的晶粒组织,有利于提升叶片高温力学性能。

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研究论文
多场耦合作用下GH4169合金变形行为与强韧化机制
王磊, 安金岚, 刘杨, 宋秀
金属学报. 2019, 55 (9): 1185-1194.   DOI: 10.11900/0412.1961.2019.00085
摘要   HTML   PDF (28386KB)

研究了脉冲电流/温度/应力多场耦合作用下,镍基GH4169合金的变形行为与强韧化机理。结果表明,GH4169合金在脉冲电流/温度/应力作用下,GH4169合金变形抗力降低、塑性变形能力提高,在高温下脉冲电流的引入加剧了原子热振动、金属晶格Pereils力下降,由此降低了合金变形抗力,增强了合金塑性变形协调能力。而当GH4169合金经脉冲电流/温度场耦合时效处理,则可以显著提高合金的高温强度和韧性,脉冲电流/温度耦合作用提高了合金基体空位缺陷密度,促进了其在随后高温变形过程中析出大量数纳米级新γ"相强化相,而脉冲电流/温度场耦合时效处理过程中析出、粗化的γ"相以及其与合金高温变形中新析出数纳米级γ"相的协同作用,使合金实现了强韧化。

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第二代单晶高温合金高周疲劳行为研究
李嘉荣,谢洪吉,韩梅,刘世忠
金属学报. 2019, 55 (9): 1195-1203.   DOI: 10.11900/0412.1961.2019.00110
摘要   HTML   PDF (29783KB)

研究了[001]取向第二代单晶高温合金(DD6和DD5)在760和980 ℃条件下的高周疲劳行为,并对比分析了DD6与DD5合金的高周疲劳性能。结果表明:DD6合金高周疲劳性能优异,760和980 ℃条件下107 cyc疲劳极限分别为414和403 MPa;2种合金的高周疲劳断裂机制均为类解理断裂;应力幅较低时,位错以弓出和交滑移的方式在γ基体通道中滑移;应力幅升高时,出现位错对剪切γ'相。DD5合金C含量是DD6合金的8倍,使其碳化物含量远高于DD6合金,且二者碳化物形态存在显著差异;在DD5合金疲劳断裂过程中,碳化物既是二次裂纹的萌生位置,又是裂纹的扩展通道,显著加快了疲劳裂纹扩展速率,明显降低了合金的高周疲劳性能。

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<111>取向小角偏离对一种镍基单晶高温合金蠕变性能的影响
胡斌,李树索,裴延玲,宫声凯,徐惠彬
金属学报. 2019, 55 (9): 1204-1210.   DOI: 10.11900/0412.1961.2019.00094
摘要   HTML   PDF (12282KB)

采用籽晶法制备偏离<111>取向不同角度的镍基单晶高温合金试样。研究了合金在760 ℃、650 MPa下小角偏离对蠕变性能的影响。结果表明, <111>取向附近合金的蠕变性能具有显著的小角偏离敏感性。偏离角度较小的<111>取向合金试样的蠕变寿命最长,蠕变过程中位错主要分布在γ通道内,随着取向偏离度增加,合金的蠕变寿命显著下降。且沿着[1ˉ11]-[011]边界偏离时蠕变寿命相对于沿着[1ˉ11]-[001]边界偏离下降更快。近<111>取向合金都表现出了较弱的加工硬化,但沿着[1ˉ11]-[001]边界偏离的样品,其初期蠕变速率相对较低,对应着较长的蠕变孕育期。进一步分析表明,[1ˉ11]-[011]边界对应着{111}<110>滑移系的共面双滑移取向,在蠕变初期就产生较高的蠕变速率,随着取向偏离度增加{111}<112>滑移系的Schmid因子迅速增加,蠕变寿命显著下降。而沿着[1ˉ11]-[001]边界偏离试样蠕变孕育期的产生则是由于占主导地位的滑移系数量下降且具有相对较低的{111}<110>滑移系Schmid因子,导致位错无法在γ通道内迅速增殖并分解产生<112>位错,延缓了初期蠕变阶段的产生。

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服役条件下镍基高温合金应力松弛微观机制
江河,董建新,张麦仓,姚志浩,杨静
金属学报. 2019, 55 (9): 1211-1220.   DOI: 10.11900/0412.1961.2019.00121
摘要   HTML   PDF (38878KB)

以4种典型镍基高温合金(GH4169、GH4169D、GH4738、GH350)为研究对象,在600~780 ℃和260~510 MPa范围内对其进行应力松弛实验,并利用FESEM和TEM对应力松弛后的样品进行组织观察分析,系统研究了典型镍基高温合金服役条件下应力松弛的微观机制。结果表明,在应力松弛实验过程中应力在开始阶段快速下降后趋于稳定;合金的松弛稳定性随着温度的升高而降低。应力松弛实验中试样的形貌不发生明显改变,而TEM分析表明应力松弛的主要微观机制是位错的运动和析出相对位错运动的阻碍。合金中析出相的种类、尺寸、形态和分布影响了析出相对位错运动阻碍作用的大小,从而决定了合金的应力松弛性能。

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DD407/IN718高温合金异质焊接接头的组织及高温变形行为
刘杨,王磊,宋秀,梁涛沙
金属学报. 2019, 55 (9): 1221-1230.   DOI: 10.11900/0412.1961.2019.00097
摘要   HTML   PDF (30541KB)

采用连续光纤激光器对DD407单晶、IN718多晶高温合金实施对接焊,研究了标准热处理前后接头微观组织、成分偏析的演化及接头的高温拉伸变形行为。结果表明,在优化焊接参数下,接头熔合区组织包括平面晶区、胞状晶区、柱状晶区和等轴晶区,熔合区中心线两侧枝晶生长形态差异明显。焊接态接头熔合区硬度低,存在明显的微观偏析;标准热处理后,熔合区偏析得以改善,接头熔合区硬度超过两侧母材硬度。接头单晶热影响区存在局部硬化区,多晶热影响区存在较窄的软化区及晶界液化现象。接头在650 ℃拉伸时,抗拉强度达1111 MPa,延伸率可达9.42%,断裂位置位于多晶母材侧。接头高温拉伸塑性变形方式主要为单晶母材、熔合区的位错多系滑移以及多晶母材的位错滑移和晶界滑动,拉伸断口呈多源开裂特征,裂纹源区存在韧窝和冰糖状断口形貌。接头多晶侧热影响区的晶界液化并未对接头短时高温力学性能产生明显影响。

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