Inconel690鋼板切割銷售鎳基高溫合金因在650~1000℃范圍內(nèi)具有較高的強(qiáng)度和良好的抗氧化、抗燃?xì)飧g能力,目前廣泛運(yùn)用于空天領(lǐng)域,是現(xiàn)代空發(fā)動(dòng)機(jī)、天器和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵熱端部件材料。但是采用傳統(tǒng)的加工方法去除鎳基高溫合金不僅效率低而且成本高,而電解加工由于不是依靠機(jī)械能,采用電化學(xué)的能量來去除金屬材料,具有無接觸應(yīng)力與材料的硬度無關(guān)的特點(diǎn)。因此,采用電解加工是一種適合空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵熱端部件的加工方式。但是目前對(duì)于鎳基高溫合金的電解加工的加工參數(shù)對(duì)表面粗糙度、加工速率、加工間隙的影響規(guī)律研究較少,因此對(duì)鎳基高溫合金電解加工工藝的進(jìn)一步研究具有重要意義。本文通過電解加工試驗(yàn)平臺(tái)的搭建、電解加工的基本原理加工條件分析、單因素實(shí)驗(yàn)、正交試驗(yàn)與信噪比分析這幾個(gè)方面對(duì)鎳基高溫合金GH4169的電解加工進(jìn)行研究。
對(duì)電解加工基本原理的分析,確認(rèn)影響電解加工加工間隙和表面粗糙度的加工參數(shù);通過數(shù)值計(jì)算,分析電解加工的電解液類型、陰極進(jìn)給速度、電面形狀等基本加工條件,為電解加工試驗(yàn)平臺(tái)的搭建提供理論依據(jù)。搭建了電解加工試驗(yàn)平臺(tái),包括機(jī)床的布局設(shè)計(jì)、進(jìn)給裝置和電源系統(tǒng)的選擇、電解液循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和加工控制與檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。檢測(cè)方式采用平均電壓的閾值比較,通過檢測(cè)陰陽兩極間的電壓值,確定此時(shí)的電解加工狀態(tài),從而控制電極的運(yùn)動(dòng),減少火花及短路的發(fā)生。以加工速度、加工間隙、表面粗糙度為加工指標(biāo),研究了加工電壓、加工電流密度、電解液壓力和陰極進(jìn)給速度四項(xiàng)加工參數(shù)對(duì)加工指標(biāo)的影響規(guī)律;利用正交試驗(yàn)和信噪比的方法,對(duì)加工速度、加工間隙和表面粗糙度進(jìn)行單目標(biāo)優(yōu)化,分別獲取了加工間隙優(yōu)、加工速度優(yōu)以及表面粗糙度優(yōu)下的工藝條件。

首先對(duì)溫度場(chǎng)進(jìn)行有限元模擬計(jì)算,將溫度場(chǎng)模擬結(jié)果作為已知條件,通過間接耦合對(duì)應(yīng)力場(chǎng)應(yīng)變場(chǎng)進(jìn)行模擬計(jì)算,得到激光增材制造過程中零件的應(yīng)力/應(yīng)變演化規(guī)律。本文以長(zhǎng)方體模型和薄壁圓筒模型的制造過程為模擬對(duì)象。保持激光功率、掃描速度、光斑直徑等參數(shù)不變,通過改變?nèi)鄹矊拥暮穸?、模型曲率等參?shù),得到不同條件下的溫度場(chǎng)分布情況。從而模擬計(jì)算應(yīng)力場(chǎng)應(yīng)變場(chǎng)的分布規(guī)律,了解激光增材制造過程中溫度場(chǎng)的整體分布規(guī)律以及熔覆層厚度、零件曲率等參數(shù)對(duì)熔覆過程中溫度場(chǎng)、應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)分布情況的影響規(guī)律。通過對(duì)模擬結(jié)果的分析,發(fā)現(xiàn)溫度場(chǎng)的分布隨著熔覆層數(shù)的增加,是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過程。
對(duì)于每一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)的金屬粉末,在時(shí)間維度上都存在一個(gè)溫度突變的過程,且溫度有兩次峰值會(huì)達(dá)到金屬粉末的熔化溫度,這樣可以使上下兩層對(duì)應(yīng)點(diǎn)的金屬粉末達(dá)到冶金結(jié)合。層厚的減小和曲率的產(chǎn)生會(huì)對(duì)熱量的傳遞產(chǎn)生明顯的影響,尤其是當(dāng)熔覆層的厚度減小時(shí),有利于熱量的傳遞,但會(huì)增長(zhǎng)熔覆時(shí)間,影響制造效率。在增材制造的零件體積較小,高度較低時(shí),熱量的散失路徑主要為Z方向(高度增加的方向)散熱,導(dǎo)致Z方向的溫度梯度較大,在成型零件中易形成沿Z方向生長(zhǎng)的柱狀晶。通過對(duì)應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的模擬結(jié)果進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)由于在熔覆剛開始的時(shí)候,熔覆層與基板緊密連接,二者之間的熱傳導(dǎo)非常強(qiáng)烈,導(dǎo)致該處的溫度梯度非常高,而且由于基板對(duì)熔覆層的約束作用,從而會(huì)產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力,且以拉應(yīng)力為主。當(dāng)超過其屈服強(qiáng)度時(shí),會(huì)導(dǎo)致零件產(chǎn)生變形,當(dāng)超過其極限抗拉強(qiáng)度時(shí),會(huì)導(dǎo)致熔覆零件在根部處產(chǎn)生裂紋。

隨著空天等制造業(yè)的發(fā)展,對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的要求越來越苛刻,不僅要“成形”還要“控性”。GH4698鎳基高溫合金由于的機(jī)械性能和使用性能,在空天等制造業(yè)得到廣泛的應(yīng)用,例如用來制造導(dǎo)向葉片、渦輪葉片等。然而此合金的合金化程度比較高、變形困難以及空零件幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜,變形極不均勻,在成形過程中實(shí)現(xiàn)“成形”和“控性”是個(gè)很難攻克的問題。因此,研究GH4698鎳基高溫合金的熱變形行為和微觀組織演化規(guī)律,對(duì)提高空產(chǎn)品的機(jī)械性能和使用性能具有重大的指導(dǎo)意義。本文基于位錯(cuò)密度模型和再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)模型,并以GH4698鎳基高溫合金是否發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶為節(jié)點(diǎn),建立了包含加工硬化-動(dòng)態(tài)回復(fù)階段和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶階段的一個(gè)兩段式本構(gòu)模型,并對(duì)建立的本構(gòu)模型進(jìn)行誤差分析,結(jié)果相關(guān)系數(shù)(R)是0.986,平均誤差(AARE)僅有4.5%,表明所建立的兩段式本構(gòu)模型有較好的預(yù)測(cè)精度,可以用來表征GH4698鎳基高溫合金在不同熱變形條件下的力學(xué)行為。

并研究熱變形過程此合金的微觀組織演變行為,揭示此合金的變形工藝參數(shù)與微觀組織演變之間的關(guān)系,建立動(dòng)態(tài)再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)模型和再結(jié)晶晶粒尺寸模型。在有限元的基礎(chǔ)上,嵌入建立的本構(gòu)模型和微觀組織演變模型,搭建此合金熱-力-微觀組織耦合數(shù)值模擬平臺(tái),并預(yù)測(cè)此合金熱塑性變形過程中的微觀組織演變規(guī)律,揭示變形溫度和應(yīng)變速率對(duì)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)、再結(jié)晶晶粒尺寸、平均晶粒尺寸的影響機(jī)理。并通過對(duì)比熱壓縮動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸實(shí)驗(yàn)值與模擬值,發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)值與模擬值具有較好的相關(guān)性,誤差都分布在±15%誤差線內(nèi),表明采用數(shù)值模擬這種方法進(jìn)行微觀組織演變模擬的可行性,為新產(chǎn)品的工藝開發(fā)和優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)?；谠詣?dòng)機(jī)法來研究熱壓縮過程動(dòng)態(tài)再結(jié)晶組織演變規(guī)律,研究變形溫度、應(yīng)變速率和應(yīng)變對(duì)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶組織演變的影響,結(jié)果表明晶粒尺寸大于80μm的晶粒百分比隨著應(yīng)變的增加逐漸減小,隨著變形溫度的升高而逐漸減小,隨著應(yīng)變速率的增加而逐漸增加;晶粒尺寸小于20μm的晶粒百分比隨著變形溫度的升高而逐漸減小,隨著應(yīng)變速率的增加而逐漸增加;晶粒尺寸在20~80μm區(qū)間的晶粒百分比隨著變形溫度的升高而逐漸增加,隨著應(yīng)變速率的增加而逐漸減小。通過元胞自動(dòng)機(jī)模擬揭示工藝參數(shù)與晶粒演變之間的關(guān)系,對(duì)提高產(chǎn)品機(jī)械性能有重要的作用。
鈦合金因其綜合的力學(xué)性能及良好的生物相容性,被廣泛用于生物科研植入金屬。但傳統(tǒng)生物科研鈦合金具有生物惰性,細(xì)菌容易在其表面附著,從而引起感染,因此制備具備抗菌性能的鈦合金有著重要的研究?jī)r(jià)值。本文選用具有良好抗菌效果,較低生物毒性同時(shí)低成本的Cu元素,加入β型鈦合金中,制備出Ti-12Mo-3Nb-1.5Cu合金,研究其高溫變形行為及熱處理對(duì)合金板材組織性能的影響。鑄態(tài)Ti-12Mo-3Nb-1.5Cu合金的組織為單一的β等軸晶粒組成,合金熱壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在變形溫度為800℃900℃,并且應(yīng)變速率為0.01s-11s-1時(shí),Ti-12Mo-3Nb-1.5Cu合金的峰值流變應(yīng)力受變形參數(shù)的影響較大,與變形溫度呈負(fù)相關(guān),與變形速率呈正相關(guān)。Ti-12Mo-3Nb-1.5Cu合金的熱激活能為259.280KJ/mol。而合金變形組織具有變形參數(shù)敏感性,合金的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶程度隨著變形溫度的升高而升高,變形速率的升高而降低。Ti-12Mo-3Nb-1.5Cu合金不連續(xù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶機(jī)制主要為位錯(cuò)亞晶界的積累使晶界的“弓彎”擠出,從而形成新的再結(jié)晶晶粒并長(zhǎng)大。

對(duì)合金進(jìn)行了多道次熱變形模擬實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,二道次變形時(shí),合金中的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶進(jìn)行得較為*,繼續(xù)增加變形道次后合金再結(jié)晶程度無明顯增加。通過對(duì)單次變形及多道次熱變形實(shí)驗(yàn),確定了Ti-12Mo-3Nb-1.5Cu合金板材軋制的優(yōu)參數(shù),并對(duì)合金板材的微觀組織和力學(xué)性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明,軋制后合金板材組織為等軸亞穩(wěn)β晶粒,并且晶粒內(nèi)部存在大量的位錯(cuò)亞晶。而900℃單相區(qū)固溶后,組織為再結(jié)晶等軸β晶粒。原始板材和固溶處理后的拉伸力學(xué)性能表明,原始板材抗拉強(qiáng)度和彈性模量較高但塑性變形能力較差;固溶處理后板材拉伸強(qiáng)度和彈性模量較低但延伸率可達(dá)達(dá)35.56%。拉伸斷口則表明合金原始板材的的斷裂機(jī)制為混合型斷裂,斷裂強(qiáng)度較高;而固溶處理后板材的斷裂機(jī)制為韌性斷裂,斷口上存在大量韌窩,塑性較好但斷裂強(qiáng)度較低。

Inconel690鋼板切割銷售對(duì)合金熱處理實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,合金在750℃兩相區(qū)固溶處理后原始β相會(huì)析出點(diǎn)狀和條狀的初生α相,初生α相隨固溶溫度的升高至β單相區(qū)而消失。而500℃/8h時(shí)效處理后合金會(huì)析出針條狀的次生α相。熱處理后合金的顯微硬度具有組織敏感性:固溶后的顯微硬度隨著溫度的提高呈先升高后降低,而時(shí)效后合金由于時(shí)效過程中析出細(xì)小針條狀次生α相而使硬度進(jìn)一步提高至496.8HV。兩相區(qū)固溶后,Cu元素在初生α和β相中的分布不均勻,其在初生α中含量較少,但在β相中含量較多且更均勻。而500℃時(shí)效處理后,合金中會(huì)發(fā)生共析反應(yīng):β→Ti2Cu+α（次生）,因此形成富銅Ti2Cu顆粒組織。

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展,空天領(lǐng)域?qū)Y(jié)構(gòu)材料在力學(xué)性能上提出了更高的要求。傳統(tǒng)鎳基高溫合金由于其較高的比重,急需尋找可以取而代之的新型材料,Ti Al合金由于具有低比重、出色的高溫強(qiáng)度使得其成為具有競(jìng)爭(zhēng)力的候選材料,但室溫的低塑性嚴(yán)重限制了其生產(chǎn)應(yīng)用。