GH4169合金激光增材制造过程热-力发展数值模拟

为解决GH4169合金激光增材制造过程中变形甚至开裂的问题,采用直接耦合热弹塑性有限元方法对GH4169合金单道多层墙体激光增材制造过程温度和应力演变进行仿真分析。计算表明,激光增材过程沉积试件经过快速加热和凝固冷却过程,温度变化速率超过1×105 ℃/s。热循环温度峰值超过2 500 ℃,最高达2 876 ℃。激光沉积扫描过的区域因冷却收缩受到约束产生较高的应力。后道沉积时激光扫描到的区域温度再次升高,先会释放前道沉积形成的应力,随着温度降低会造成更大的应力。热源加载结束的一瞬间沉积层与基板连接的部分温度存在反常增加的现象。沉积层残余应力以拉应力为主,高达875 MPa,沿沉积方向的应力分量最大。基板在与沉积层结合部位附近残余应力达到800 MPa左右,与其相对应的远处分布有残余压应力。     

激光增材制造Nb合金化GH4169合金组织分析

采用球磨合金化的方式,在常规GH4169合金粉末中添加Nb元素,利用激光增材制造技术成形了具有不同Nb含量的GH4169试样,研究了Nb含量对激光增材制造GH4169合金组织的影响。结果表明：激光增材制造Nb合金化GH4169合金显微晶粒结构仍为粗大柱状晶组织;随着Nb含量的增加,合金粉末在熔池中合金化反应放热量增多,使得柱状晶的生长方向由偏离激光束中心向外生长逐渐变化为朝向激光束中心向内生长。由于熔池中溶质浓度和粉末熔化放热量的增加,使得枝晶间γ+Laves共晶组织的数量增多,逐渐形成连续网状的共晶组织;DSC分析结果发现,随着Nb元素添加量的增加,共晶Laves相的初熔点升高,枝晶干γ相的熔点略有降低。另外,合金化改变了初生γ相的成分,枝晶干Nb元素含量最高浓度达到7.5wt.%,合金固溶强化作用得到加强。     

激光增材制造高Nb含量GH4169合金微观偏析行为研究

目的减轻不同热处理状态下激光增材制造高Nb含量GH4169合金组织中的微观偏析。方法采用激光增材制造方法对球磨Nb合金化后的合金粉末进行快速成形,获得具有较高Nb含量的GH4169合金试样。通过光学显微镜、扫描电子显微镜及能谱分析、维氏硬度测试方法,对沉积态、固溶态和直接时效态试样进行分析,研究因合金中Nb含量变化引起的微观偏析对沉积态和热处理态合金的枝晶组织和显微硬度的影响。结果随着Nb含量的增加,一方面,由于枝晶间的Nb含量增加,枝晶间(γ+Laves)共晶数量增加,且共晶组织形貌更为连续;沉积态试样的显微硬度由228.4HV增大至534.1HV。另一方面,枝晶干Nb元素含量增加,枝晶干与枝晶间Nb元素含量的差异缩小,Nb元素的偏析比由8.59减小至4.13。后续固溶处理后,枝晶结构逐渐消失,枝晶间Laves相的数量随之减少,枝晶干与枝晶间的微观偏析减轻;固溶态试样硬度值随之减小,减小趋势随固溶温度的升高而逐渐平缓。随着Nb含量的增加,直接时效处理后,各试样显微硬度值在微观区域内的均匀性提高,枝晶干与枝晶间强化相的析出差异减小。结论合适的热处理制度既可以实现合金元素的均匀化,还能减小枝晶干与枝晶间强化相的析出差异,减轻激光增材制造高Nb含量GH4169合金组织中的微观偏析。     

超高频电弧增材制造GH4169合金热处理组织

采用超高频脉冲电弧增材工艺成形了GH4169高温合金薄壁件,并制定了两种热处理制度. 试样分为3组:未热处理组、固溶+时效组和均匀化+时效组,并对电解腐蚀后的显微组织进行了对比和分析. 结果表明,未经热处理的组织主要为粗大枝晶,晶间有较多的Laves相,在超高频电弧的作用下,其组织比常规脉冲电弧沉积成形得到的组织尺寸更小;固溶+时效处理后的组织,γ基体上分布着大量片状δ相、γ″相和一定量的γ'相,残留有少量Laves相;均匀化+时效后的组织,δ相基本消失,基体上分布有大量颗粒状的γ″相和γ'相,及少量的小块状Laves相和碳化物.     

激光增材制造TC4/GH4169梯度结构微观组织分析

目的 提高TC4/GH4169梯度过渡界面的元素分布均匀性,削弱界面效应,制备二维TC4/GH4169梯度结构。方法 利用激光增材制造技术,采用TC4-90%TC4+10%GH4169-GH4169的梯度过渡方式制备TC4/GH4169一维梯度材料,并在一维梯度的基础上设计二维梯度结构,制备TC4/GH4169二维梯度材料。利用场发射扫描电子显微镜对TC4/GH4169一维和二维梯度材料内的析出相以及各梯度过渡界面的组织形态进行分析,利用能谱仪对各梯度过渡界面处的元素分布进行分析。结果 一维梯度90%TC4+10%GH4169-GH4169界面相比于TC4-90%TC4+10%GH4169界面材料相互渗透程度更高。由于TC4内Ni元素的加入,在90%TC4+10%GH4169内生成了较多的呈交联网状分布的Ti2Ni析出相。二维梯度样件在水平方向的界面波动程度以及材料相互渗透程度相比于沉积方向更高,其中二维梯度水平方向TC4-90%TC4+10%GH4169界面两侧元素充分扩散,相比于一维梯度TC4-90%TC4+10%GH4169界面处的元素分布均匀性显著提高。结论 通过合适的梯度过渡...     

激光增材制造沉淀强化镍基高温合金热裂纹研究进展

针对沉淀强化镍基高温合金中的裂纹现象,对比了2类热裂纹（即凝固裂纹和液化裂纹）的典型特征、形成位置和条件。从枝晶生长、元素偏析、强化相析出、固态相变和残余应力应变等角度,系统综述了热裂纹的形成机理和热裂纹敏感性影响因素。在此基础上,从合金成分调控、工艺参数优化、基板预热以及热等静压处理等方面,概述了增材制造高温合金热裂纹调控和抑制的主要措施。最后,针对激光增材制造沉淀强化镍基高温合金热裂纹研究中存在的问题,提出了进一步研究和发展的建议,为实现无裂纹镍基高温合金的增材制造提供了参考。     

不同取向激光增材制造GH4169合金电子束焊接头组织和性能

对具有不同晶体取向(0°、45°和90°)的激光增材制造GH4 169合金进行真空电子束对接焊接实验,分析了两侧母材不同晶体取向差情况下的焊缝金属组织和力学性能.结果 表明:GH4169合金电子束焊缝组织的枝晶有明显择优取向,焊缝组织依托母材晶体连续生长,焊缝枝晶择优取向随母材晶体取向的变化而变化,0°和90°取向差焊...     

同轴送粉激光增材制造Al-Zn-Mg-Cu合金应力场数值模拟

采用Ansys软件建立了同轴送粉激光增材制造Al-Zn-Mg-Cu合金的有限元模型,对该模型进行了试验验证,模拟分析了不同激光功率和扫描速度单层单道成形过程中的温度场和应力场。结果表明,模拟得到的应力与试验结果误差约为5.2%,验证了模型的准确性。激光成形过程中,激光作用产生“端部效应”,熔池前端的温度梯度大,后端的温度梯度小。随着激光功率的增加和扫描速度减小,熔池温度增加,激光功率的影响更加显著。随着激光功率与扫描速度的增加,沉积层的三向应力也随之增大,最大Von mises等效应力与垂直于扫描方向的应力σ_y呈“W”形分布,沿扫描方向的应力σ_x先增大后减小,且σ_x>σ_y。当沉积层冷却至室温时,其表面残余应力主要为拉应力,且沉积层中部位置的残余应力高于边缘位置的残余应力。     

多元合金激光增材制造凝固组织演变模拟

针对多元合金激光熔覆过程,基于有限元方法和元胞自动机技术建立了多元合金激光熔覆熔池三维传热传质及凝固组织形貌演变模型,通过自行开发的宏微观耦合接口程序实现了三维熔池模型和多元合金凝固组织演变模型的耦合. 针对IN718激光熔覆过程中的传热传质和凝固组织演变过程进行了模拟,研究了基板初始晶粒尺寸、异质形核及多层熔覆扫描路径对熔覆层凝固组织形貌的影响机理,并对模拟结果进行了试验验证. 结果表明,模拟结果与实际物理过程吻合较好,所开发的耦合模型能够真实反映多元合金激光熔覆过程.     

激光增材制造DD98M高温合金组织及稳定性研究

采用激光增材制造技术制备了DD98M镍基高温合金管状试样,研究了其沉积态、固溶时效态和长期时效态微观组织变化,对比分析了沉积态和固溶时效态试样中γ'相尺寸分布及在1000℃长期时效时γ'相的演化规律。结果表明:沉积态组织主要由外延生长的微细柱晶组成,枝晶间无γ-γ'共晶组织析出,试样中γ'相体积分数约为70%。合金中元素微偏析造成了枝晶干和枝晶间γ'相尺寸差异,其中枝晶干处为210 nm,枝晶间为560 nm。经固溶时效处理后,γ'相(约370 nm)均匀分布在γ基体上,其尺寸分布符合LSW模型。经1000℃长期时效500 h后,合金组织中无TCP相(拓扑密排相)生成,γ'相仍保持立方形貌,其尺寸几乎保持不变。固溶时效处理后,合金显微硬度从沉积态时的4420 MPa增加至4870 MPa,长期时效能降低合金硬度,降幅约5.9%。     

GH4169合金叶片制坯成形工艺数值模拟优化

基于塑性有限元原理,应用Deform数值模拟平台,通过变形温度、压下量对挤杆成形及变形速度、摩擦条件对镦头成形的各场量进行深入研究,全面揭示了GH4169合金叶片制坯过程成形规律,并对其工艺参数进行优化.结果表明:适当的提升锻造温度有利于挤杆锻后温度的平稳分布;变形温度的增大使杆部各区域金属流动速度差异逐渐缩小,挤杆为...     

GH4169合金叶片制坯过程中微观组织的数值模拟

为了预测GH4169合金热挤压过程中挤压件微观组织的演变规律,本文将微观组织模型加入到模拟软件DE-FORM-3D中,实现了金属高温塑性变形-传热-微观组织演变的耦合.同时研究了不同压下量及应变速率对挤压件微观组织演变的影响.结果表明,挤压件杆部晶粒明显细化,压下量及变形速度对组织演变影响显著.     

GH4169高温合金惯性摩擦焊过程的数值模拟

根据GH4169合金惯性摩擦焊的特点,结合摩擦理论,建立了完全基于材料热物理性参数和焊接工艺参数的三维有限元分析模型,运用热力耦合的方法对其焊接过程进行了数值模拟.根据模拟计算所得的温度场和应力场结果,综合分析了该工艺过程.为合理制定焊接热力规范,提高GH4169合金的焊接性能和接头质量提供了参考.     

GH4169合金叶片挤杆工序模具磨损及寿命的数值模拟分析

挤杆工序是GH4169合金叶片热成形的首道工序,作为制坯工序,其不但要保证精确的尺寸形状,还要确保工件组织达到工艺要求.模具的工况严重地影响了工件的内在质量.基于Archard磨损理论,以凹模为研究对象,采用Deform-2D有限元软件对其磨损过程进行数值模拟,通过分析工件的模具温度、模具硬度、挤杆速度、摩擦系数、凹模...     

GH4169合金连续驱动摩擦焊接过程三维数值模拟

在考虑摩擦面上环向摩擦力对摩擦焊接过程影响的基础上,建立了连续驱动摩擦焊接过程的三维刚塑性热力耦合有限元模型。计算了GH4169合金棒材连续驱动摩擦焊接过程中的瞬态温度场、应力场及变形场,预测了焊件轴向缩短量。采用热电偶测温技术对摩擦焊接头外表面焊接过程的温度变化进行了实时测量,并测量了飞边形状和轴向缩短量。结果表明,摩擦焊接头的温度场、飞边形状和轴向缩短量的计算结果和实验结果吻合较好。模型有助于制定合理的焊接工艺规范。     

CMT-Pin增材制备GH4169高温合金柱形阵列成形工艺和组织特征

采用Φ1.2 mm的ER-GH4169焊丝,通过CMT-Pin增材技术在5 mm厚Q235碳钢基板上制备柱形阵列结构,研究了Pin针成形工艺和组织特征。结果表明：当Ball/Cyl Adaptation参数为负时,Pin针头型为平头;当Ball/Cyl Adaptation为非负时,Pin针头型为球头;Altitude Adaptation控制Pin针生长的高度,获得Pin针高度在2.30-4.96mm之间。Pin针的微观组织分为Pin轴区、熔合区、母材区。Pin轴区分布着大量的柱状晶,沿轴向外生长;在熔合区,沿Pin轴往上柱状晶由细晶转变为粗晶,熔合区为一条极细的熔合线,晶间析出大量条状的Laves相;在母材区,存在组织明暗交接分层。     

GH4169合金气体渗氮工艺研究

利用光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线衍射仪(XRD)、能谱仪(EDS)、显微硬度仪等分析手段,对GH4169合金的渗氮机理及长时间气体渗氮后渗氮层和基体组织、成分、性能进行了分析.结果表明,GH4169合金渗氮层深度和渗氮时间符合抛物线规律,长时间气体渗氮后渗层中会析出均匀细小的CrN(尺寸在纳米级)、Cr7C3相.渗氮层硬度达到1 268 HV0.05,渗氮层较脆,裂纹易沿原始γ相晶界萌生并扩展.     

GH4169、GH4169plus和GH4738高温合金组织稳定性

为了获得不同沉淀硬化相作用的高温合金在高温长期时效过程中的组织稳定性的对比规律,对3种应用最为广泛的高温合金GH4169、GH4169plus、GH4738经720℃时效后的显微组织和硬度变化进行了对比分析。结果表明,合金的组织稳定性与晶界相和弥散强化相有关,晶界碳化物较晶界δ相稳定,γ'相较γ″相有更好的稳定性,但同为γ'相,组织稳定性还与其和基体的错配度有关。对比3种合金,随时效时间的延长,GH4169plus合金的稳定性稍次于GH4738合金,但要优于GH4169合金。