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Incoloy800H無縫管生產(chǎn)拉伸強(qiáng)度沿著水平方向高于豎直方向,大約5.2%。4)通過對比SLM成形過程中激光能量分布方式發(fā)現(xiàn),采用均勻光斑獲得的寬深比遠(yuǎn)大于采用高斯激光光斑模式。同時,在單道橫截面上均可以觀察到對流現(xiàn)象。采用整形的均勻光斑在單晶基板上成形出鎳基單晶合金,并獲得3mm的單晶組織。提出了 SLM條件下形核數(shù)新的數(shù)學(xué)模型,該模型針對增材制造層層疊加的特點(diǎn),考慮激光引起的對流效應(yīng)及雜質(zhì)引入,很好的解釋了 SLM外延生長特點(diǎn)。5)探究了不同激光模式下的硬度隨溫度變化的規(guī)律。在低溫工作區(qū),低于400℃,由于高斯光斑引起的晶粒細(xì)化作用起到主導(dǎo)作用,硬度較高;當(dāng)溫度超過400℃時,采用均勻光斑獲得的較少晶界的組織的硬度更高。6)SLM成形的Inconel718呈現(xiàn)為γ奧氏體形態(tài),同時獲得一種由Fe2Ti、Fe2Mo、Cr2Nb、Fe2Nb 等,可以縮寫成(Ni,Fe,Cr)2(Nb,Ti,Mo)組成的 Laves。采用 TEM 分析,發(fā)現(xiàn)在在SLM成形Inconel 718合金中存在互相平行分布的短棒狀結(jié)構(gòu)的Ni3Nb-γ",長度在15-50nm之間,直徑約為5nm。7)發(fā)現(xiàn)了兩種SLM成形件高溫拉伸的失效機(jī)制缺陷。

無錫國勁合金*生產(chǎn)4J36、N4、Inconel601、253MA、Alloy20、Incoloy926、Incoloy800HT、Inconel625、GH3030、310S、HastelloyB-2、Nickel201、C-276等材質(zhì)。

Co-Al-W基合金中γ’相強(qiáng)化機(jī)制的發(fā)現(xiàn)顯著提高了鈷基高溫合金的承溫能力,為發(fā)展新型鈷基高溫合金開辟了道路。然而,目前國內(nèi)外針對新型鈷基高溫合金的研發(fā)主要集中在合金化元素對組織與性能的影響以及合金元素篩選方面;而對于其變形機(jī)制,特別是高溫下的蠕變行為研究還非常有限。因此,新型鈷基合金高溫蠕變變形機(jī)制成為對提高鈷基高溫合金承溫能力至關(guān)重要卻仍未解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。本論文以不同Ta和Ti含量的Co-Al-W基單晶合金為研究對象,研究了Ta和Ti的單獨(dú)及協(xié)同作用對γ’相粗化長大行為、蠕變性能等承溫能力的影響。以同時含有Ta和Ti元素的Co-Al-W-Ta-Ti單晶合金為研究對象,研究了鈷基單晶合金在高溫蠕變過程中微觀組織及位錯組態(tài)的演變,揭示了γ’相強(qiáng)化鈷基高溫合金高溫蠕變變形機(jī)制。

通過XRD、SEM、EDS等設(shè)備儀器進(jìn)行產(chǎn)物形貌、成分及物相的相關(guān)測試分析,研究Super304H和HR3C兩種奧氏體鋼的腐蝕行為同煤灰、煙氣和溫度等因素對其耐腐蝕性能進(jìn)行比較,探討合金材料的腐蝕機(jī)理。在650、700℃下SO2/煤灰協(xié)同作用時,Super304H和HR3C兩種合金的腐蝕過程相類似,初期在合金-硫-氧體系中生成氧化物、硫化物,動力學(xué)曲線呈上升趨勢;隨著腐蝕進(jìn)行,煤灰中硫酸鹽與金屬氧化物生成熔融態(tài)復(fù)合硫酸鹽,使產(chǎn)物層破壞、剝落引起動力學(xué)曲線的下降。在同樣的腐蝕工況下,HR3C鋼抗高溫SO2/硫酸鹽煤灰的腐蝕能力高于Super304H鋼。HR3C合金于氣氛/X煤灰和氣氛/Y煤灰環(huán)境中腐蝕輕微,耐蝕性良好;HR3C鋼的Cr（25%）含量較高,在SO2/現(xiàn)場灰（X煤灰、Y煤灰）中腐蝕產(chǎn)物主要為Cr2O3和Fe2O3,在合成煤灰中生成了Fe2O3和Cr2O3以及尖晶石類化合物（NiFe2O4、CrFe2O4）和硫酸鹽類化合物Fe2（SO4）3;合金于650℃,0.15%SO2下在三種煤灰環(huán)境中腐蝕生成量較少,產(chǎn)物層均較薄,隨溫度和SO2含量的增加HR3C合金在Y煤灰的產(chǎn)物層較X煤灰的有所加厚,在合成煤灰環(huán)境中出現(xiàn)產(chǎn)物明顯剝落。

Incoloy800H無縫管生產(chǎn)激光熔覆所設(shè)定的工藝參數(shù)使每一層的雜晶在下一層的熔覆過程中重熔,從而得到與基體晶體取向*的枝晶與單晶組織。(5)*發(fā)現(xiàn)了激光3D打印成形樣品中枝晶的偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象,EBSD的測試結(jié)果表明這種枝晶偏轉(zhuǎn)帶來的晶體學(xué)取向變化超過20°,破壞了單晶取向的*性。結(jié)合理論計算的研究結(jié)果表明,枝晶彎曲現(xiàn)象歸因于表面張力驅(qū)動的熔池對流所導(dǎo)致的枝晶迎流生長。根據(jù)迎流生長的特點(diǎn),給出了適當(dāng)增加熔覆層厚、提高搭接區(qū)域占比的解決方案,并成功地抑制了枝晶偏轉(zhuǎn)及其晶體取向變化。(6)在有限元軟件中建立了激光熔覆過程實(shí)時模擬模型,并提出了一種金屬材料激光成形過程的原位預(yù)熱方法。該方法是通過控制激光成形過程的邊界條件、激光功率、激光掃描速度、激光光斑大小、激光開光間歇時間等參數(shù),實(shí)現(xiàn)加工過程的原位預(yù)熱。這種原位預(yù)熱方法,不需要額外設(shè)計電阻加熱或感應(yīng)加熱裝置,便可實(shí)現(xiàn)超過1000 ℃的預(yù)熱?；谶@種原位預(yù)熱方法,成功制備了較大尺寸、無裂紋、無熱處理再結(jié)晶的單晶高溫合金塊體試樣。(7)對激光成形單晶與傳統(tǒng)定向凝固制備單晶的組織及性能進(jìn)行了對比分析。結(jié)果表明,固溶處理使得激光成形單晶的γ’相形貌變得不規(guī)則。經(jīng)過固溶及時效后,激光成形單晶合金中γ’相尺寸偏大、體積分?jǐn)?shù)偏低,由此導(dǎo)致了激光成形單晶的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均略低于定向凝固的單晶合金,但激光成形單晶合金的塑性較好。

鍍膜工藝作為離子刻蝕光柵制造技術(shù)的關(guān)鍵工藝之一,與材料表面潤濕性問題有關(guān)。因此,我們用分子動力學(xué)模擬的方法研究了金屬液滴的表面潤濕現(xiàn)象和融合行為。結(jié)果表明,Ag液膜在粗糙基底上會發(fā)生反潤濕現(xiàn)象,并終脫離基底,這一現(xiàn)象受到液膜的形狀、尺寸和表面的粗糙度等因素的影響。金屬液滴在不同種類的金屬基底表面潤濕性差異巨大,這主要是由液體-基底之間的相互作用決定的。進(jìn)一步研究異種元素液滴的融合時,發(fā)現(xiàn)存在“水平融合"或“垂直融合"兩種融合機(jī)制,這與基底表面的粗糙度所控制的潤濕性有關(guān)。因此,可以通過改變材料表面的粗糙度和微觀結(jié)構(gòu)調(diào)整液滴的潤濕性,從而使得液滴在基底表面能夠較好的鋪展,有利于改進(jìn)鍍膜工藝。通過實(shí)驗驗證,發(fā)現(xiàn)減小基底粗糙度,提高蒸鍍溫度,減小基底溫度,采用二次鍍膜技術(shù),均有利于提高膜層的均勻性和穩(wěn)定性。(3)使用由新的鍍膜技術(shù)開發(fā)的光柵以及由低膨脹鑄鐵合金作為支架的光學(xué)系統(tǒng),設(shè)計了全新的光譜儀。其光學(xué)系統(tǒng)的溫度穩(wěn)定性達(dá)到±5μm,譜線中心位置漂移不超過1個像元,不加恒溫的情況下仍能進(jìn)行較穩(wěn)定的分析;其衍射效率超過進(jìn)口光柵,在紫外波段元素N、P、S、C仍能夠獲得較好的分析;它還*突破了相態(tài)的局限性,可對粉末狀的樣品,如土壤中的元素N、P、K、Pb、Sb、Cd、As、Sn進(jìn)行分析,為儀器進(jìn)入環(huán)保領(lǐng)域奠定理論和技術(shù)基礎(chǔ)。

從熵的角度研究多組分合金,將材料科學(xué)的探索和認(rèn)知提升至了全新的高度。統(tǒng)計物理學(xué)上,熵是材料排列混亂程度的量度,對應(yīng)材料的“無序度"。高的混合熵和高的合金化元素含量的多組分合金材料,傾向于形成非晶或固溶體等高熵?zé)o序相結(jié)構(gòu)。因此,無論是非晶合金的“混亂原理"還是高熵合金的“高熵效應(yīng)",都與熵有著密切的。本論文針對熵對多組分合金組織結(jié)構(gòu)和性能的影響,研究了 AlxCoCrFeNi系多組元高熵合金的離子輻照性能和含Ni多組元合金的高溫氧化性能。本論文主要涵蓋以下內(nèi)容:(1)采用真空電弧熔煉方法制備的Al0.1CoCrFeNi、Al0.75CoCrFeNi和Al1.5CoCrFeNi三種合金,其主要的相組成與CALPHAD相圖計算的結(jié)果*。隨著Al元素含量的增加,AlxCoCrFeNi系多組元高熵合金由FCC結(jié)構(gòu)過渡到BCC結(jié)構(gòu),Al0.1CoCrFeNi是單相FCC結(jié)構(gòu);Al0.75CoCrFeNi是FCC + B2結(jié)構(gòu);Al1.5CoCrFeNi是A2 + B2結(jié)構(gòu)。研究表明,Al元素能夠促進(jìn)多組元合金中BCC相結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

對合金熱處理實(shí)驗結(jié)果表明,合金在750℃兩相區(qū)固溶處理后原始β相會析出點(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時效處理后合金會析出針條狀的次生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,而時效后合金由于時效過程中析出細(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℃時效處理后,合金中會發(fā)生共析反應(yīng):β→Ti2Cu+α（次生）,因此形成富銅Ti2Cu顆粒組織。

然后結(jié)合高溫拉伸試驗研究了合金的超塑性力學(xué)行為及變形機(jī)制。主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下:為了制備出適合超塑變形的均勻細(xì)小顯微組織,利用單軸壓縮及應(yīng)力松弛試驗對高鈮TiAl合金的動態(tài)/亞動態(tài)再結(jié)晶動力學(xué)開展研究。結(jié)果表明,高鈮TiAl合金的顯微組織對熱變形十分敏感,再結(jié)晶極易發(fā)生但動力學(xué)較慢,整體呈現(xiàn)出爆發(fā)式形核而有限長大的特征,從而有利于細(xì)化組織。而同樣很慢的亞動態(tài)再結(jié)晶動力學(xué)使得合金鍛餅可以通過道次間退火的方法消除變形死區(qū),進(jìn)而獲得均勻的顯微組織分布。另外發(fā)現(xiàn)當(dāng)在（α+β）相區(qū)進(jìn)行熱等靜壓或鍛造變形時,合金中的β/B2相含量顯著提高,即熱力耦合作用對β/B2轉(zhuǎn)變具有明顯的抑制作用。利用該效應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)對合金中β/B2相含量的調(diào)整。在上述研究的基礎(chǔ)上制定了合金的開坯鍛造工藝,獲得了具有相似成分但不同相組成（（α2+γ）合金與（β/B2+γ）合金）的高鈮TiAl合金鍛餅,為高鈮TiAl合金細(xì)晶超塑性的研究奠定了材料基礎(chǔ)。在應(yīng)變速率為10-4 s-1、溫度為8501050℃的條件下對兩種合金進(jìn)行了高溫拉伸試驗。

經(jīng) 80%B2O3+20%Na2B4O7 和 50%CaF2+45%AlF3+5%CaO+微量(A12O3+MgO)復(fù)合鹽凈化處理后,GH4169返回料合金的氧氮含量大幅度降低至新料的氧氮含量水平,大尺寸的A1203和TiN被熔融凈化劑吸附去除,主要合金元素含量均在GH4169合金標(biāo)準(zhǔn)成分的范圍內(nèi)。隨著過熱溫度的增高,K418合金返回料中氧氮含量均不同程度地降低,在1500℃時達(dá)到低值17ppm和15ppm,比返回料合金分別降低5.6%和75.4%,主要合金元素均在K418合金的標(biāo)準(zhǔn)成分范圍內(nèi)。隨著返回料比例增加,含返回料K418合金的氧含量逐漸降低,而氮硫碳含量呈現(xiàn)增高趨勢,主要組成元素均在K418新料合金成分范圍之內(nèi)變化;枝晶間區(qū)域內(nèi)漢字狀碳化物MC的數(shù)量減少、尺寸減小,共晶γ+γ’數(shù)量增多;二次枝晶臂距值減小,屈服強(qiáng)度σ0.2和極限強(qiáng)度σb增加,總應(yīng)變量εt和塑性應(yīng)變量εp保持相對穩(wěn)定。