Inconel690钢板切割销售镍基高温合金因在650~1000℃范围内具有较高的强度和良好的抗氧化、抗燃气腐蚀能力,目前广泛运用于空天领域,是现代空发动机、天器和火箭发动机的关键热端部件材料。但是采用传统的加工方法去除镍基高温合金不仅效率低而且成本高,而电解加工由于不是依靠机械能,采用电化学的能量来去除金属材料,具有无接触应力与材料的硬度无关的特点。因此,采用电解加工是一种适合空发动机的关键热端部件的加工方式。但是目前对于镍基高温合金的电解加工的加工参数对表面粗糙度、加工速率、加工间隙的影响规律研究较少,因此对镍基高温合金电解加工工艺的进一步研究具有重要意义。本文通过电解加工试验平台的搭建、电解加工的基本原理加工条件分析、单因素实验、正交试验与信噪比分析这几个方面对镍基高温合金GH4169的电解加工进行研究。
对电解加工基本原理的分析,确认影响电解加工加工间隙和表面粗糙度的加工参数;通过数值计算,分析电解加工的电解液类型、阴极进给速度、电面形状等基本加工条件,为电解加工试验平台的搭建提供理论依据。搭建了电解加工试验平台,包括机床的布局设计、进给装置和电源系统的选择、电解液循环系统的设计和加工控制与检测系统的设计。检测方式采用平均电压的阈值比较,通过检测阴阳两极间的电压值,确定此时的电解加工状态,从而控制电极的运动,减少火花及短路的发生。以加工速度、加工间隙、表面粗糙度为加工指标,研究了加工电压、加工电流密度、电解液压力和阴极进给速度四项加工参数对加工指标的影响规律;利用正交试验和信噪比的方法,对加工速度、加工间隙和表面粗糙度进行单目标优化,分别获取了加工间隙优、加工速度优以及表面粗糙度优下的工艺条件。

首先对温度场进行有限元模拟计算,将温度场模拟结果作为已知条件,通过间接耦合对应力场应变场进行模拟计算,得到激光增材制造过程中零件的应力/应变演化规律。本文以长方体模型和薄壁圆筒模型的制造过程为模拟对象。保持激光功率、扫描速度、光斑直径等参数不变,通过改变熔覆层的厚度、模型曲率等参数,得到不同条件下的温度场分布情况。从而模拟计算应力场应变场的分布规律,了解激光增材制造过程中温度场的整体分布规律以及熔覆层厚度、零件曲率等参数对熔覆过程中温度场、应力应变场分布情况的影响规律。通过对模拟结果的分析,发现温度场的分布随着熔覆层数的增加,是一个动态变化的过程。
对于每一个坐标点的金属粉末,在时间维度上都存在一个温度突变的过程,且温度有两次峰值会达到金属粉末的熔化温度,这样可以使上下两层对应点的金属粉末达到冶金结合。层厚的减小和曲率的产生会对热量的传递产生明显的影响,尤其是当熔覆层的厚度减小时,有利于热量的传递,但会增长熔覆时间,影响制造效率。在增材制造的零件体积较小,高度较低时,热量的散失路径主要为Z方向(高度增加的方向)散热,导致Z方向的温度梯度较大,在成型零件中易形成沿Z方向生长的柱状晶。通过对应力应变场的模拟结果进行分析,发现由于在熔覆刚开始的时候,熔覆层与基板紧密连接,二者之间的热传导非常强烈,导致该处的温度梯度非常高,而且由于基板对熔覆层的约束作用,从而会产生较大的热应力,且以拉应力为主。当超过其屈服强度时,会导致零件产生变形,当超过其极限抗拉强度时,会导致熔覆零件在根部处产生裂纹。

随着空天等制造业的发展,对机械产品的要求越来越苛刻,不仅要“成形”还要“控性”。GH4698镍基高温合金由于的机械性能和使用性能,在空天等制造业得到广泛的应用,例如用来制造导向叶片、涡轮叶片等。然而此合金的合金化程度比较高、变形困难以及空零件几何结构复杂,变形极不均匀,在成形过程中实现“成形”和“控性”是个很难攻克的问题。因此,研究GH4698镍基高温合金的热变形行为和微观组织演化规律,对提高空产品的机械性能和使用性能具有重大的指导意义。本文基于位错密度模型和再结晶动力学模型,并以GH4698镍基高温合金是否发生动态再结晶为节点,建立了包含加工硬化-动态回复阶段和动态再结晶阶段的一个两段式本构模型,并对建立的本构模型进行误差分析,结果相关系数(R)是0.986,平均误差(AARE)仅有4.5%,表明所建立的两段式本构模型有较好的预测精度,可以用来表征GH4698镍基高温合金在不同热变形条件下的力学行为。

并研究热变形过程此合金的微观组织演变行为,揭示此合金的变形工艺参数与微观组织演变之间的关系,建立动态再结晶动力学模型和再结晶晶粒尺寸模型。在有限元的基础上,嵌入建立的本构模型和微观组织演变模型,搭建此合金热-力-微观组织耦合数值模拟平台,并预测此合金热塑性变形过程中的微观组织演变规律,揭示变形温度和应变速率对再结晶体积分数、再结晶晶粒尺寸、平均晶粒尺寸的影响机理。并通过对比热压缩动态再结晶晶粒尺寸实验值与模拟值,发现实验值与模拟值具有较好的相关性,误差都分布在±15%误差线内,表明采用数值模拟这种方法进行微观组织演变模拟的可行性,为新产品的工艺开发和优化提供科学依据。基于元胞自动机法来研究热压缩过程动态再结晶组织演变规律,研究变形温度、应变速率和应变对动态再结晶组织演变的影响,结果表明晶粒尺寸大于80μm的晶粒百分比随着应变的增加逐渐减小,随着变形温度的升高而逐渐减小,随着应变速率的增加而逐渐增加;晶粒尺寸小于20μm的晶粒百分比随着变形温度的升高而逐渐减小,随着应变速率的增加而逐渐增加;晶粒尺寸在20~80μm区间的晶粒百分比随着变形温度的升高而逐渐增加,随着应变速率的增加而逐渐减小。通过元胞自动机模拟揭示工艺参数与晶粒演变之间的关系,对提高产品机械性能有重要的作用。
钛合金因其综合的力学性能及良好的生物相容性,被广泛用于生物科研植入金属。但传统生物科研钛合金具有生物惰性,细菌容易在其表面附着,从而引起感染,因此制备具备抗菌性能的钛合金有着重要的研究价值。本文选用具有良好抗菌效果,较低生物毒性同时低成本的Cu元素,加入β型钛合金中,制备出Ti-12Mo-3Nb-1.5Cu合金,研究其高温变形行为及热处理对合金板材组织性能的影响。铸态Ti-12Mo-3Nb-1.5Cu合金的组织为单一的β等轴晶粒组成,合金热压缩实验结果表明在变形温度为800℃900℃,并且应变速率为0.01s-11s-1时,Ti-12Mo-3Nb-1.5Cu合金的峰值流变应力受变形参数的影响较大,与变形温度呈负相关,与变形速率呈正相关。Ti-12Mo-3Nb-1.5Cu合金的热激活能为259.280KJ/mol。而合金变形组织具有变形参数敏感性,合金的动态再结晶程度随着变形温度的升高而升高,变形速率的升高而降低。Ti-12Mo-3Nb-1.5Cu合金不连续动态再结晶机制主要为位错亚晶界的积累使晶界的“弓弯”挤出,从而形成新的再结晶晶粒并长大。

对合金进行了多道次热变形模拟实验,实验结果表明,二道次变形时,合金中的动态再结晶进行得较为*,继续增加变形道次后合金再结晶程度无明显增加。通过对单次变形及多道次热变形实验,确定了Ti-12Mo-3Nb-1.5Cu合金板材轧制的优参数,并对合金板材的微观组织和力学性能进行了研究。结果表明,轧制后合金板材组织为等轴亚稳β晶粒,并且晶粒内部存在大量的位错亚晶。而900℃单相区固溶后,组织为再结晶等轴β晶粒。原始板材和固溶处理后的拉伸力学性能表明,原始板材抗拉强度和弹性模量较高但塑性变形能力较差;固溶处理后板材拉伸强度和弹性模量较低但延伸率可达达35.56%。拉伸断口则表明合金原始板材的的断裂机制为混合型断裂,断裂强度较高;而固溶处理后板材的断裂机制为韧性断裂,断口上存在大量韧窝,塑性较好但断裂强度较低。

Inconel690钢板切割销售对合金热处理实验结果表明,合金在750℃两相区固溶处理后原始β相会析出点状和条状的初生α相,初生α相随固溶温度的升高至β单相区而消失。而500℃/8h时效处理后合金会析出针条状的次生α相。热处理后合金的显微硬度具有组织敏感性:固溶后的显微硬度随着温度的提高呈先升高后降低,而时效后合金由于时效过程中析出细小针条状次生α相而使硬度进一步提高至496.8HV。两相区固溶后,Cu元素在初生α和β相中的分布不均匀,其在初生α中含量较少,但在β相中含量较多且更均匀。而500℃时效处理后,合金中会发生共析反应:β→Ti2Cu+α（次生）,因此形成富铜Ti2Cu颗粒组织。

随着科学技术的快速发展,空天领域对结构材料在力学性能上提出了更高的要求。传统镍基高温合金由于其较高的比重,急需寻找可以取而代之的新型材料,Ti Al合金由于具有低比重、出色的高温强度使得其成为具有竞争力的候选材料,但室温的低塑性严重限制了其生产应用。