DZ483合金是*代定向凝固鎳基高溫合金,主要應用于燃氣輪機中。由于合金在定向凝固過程會造成枝晶偏析,這就要求對合金進行合理的熱處理來改善合金的組織及力學性能。近幾十年來,磁場熱處理技術(shù)得到廣泛的關(guān)注,尤其是磁場下鐵磁性合金的熱處理研究取得了豐碩的成果。目前,人們對磁場下非鐵磁性合金固態(tài)相變行為的研究非常有限。因此,本文以非鐵磁性材料DZ483鎳基高溫合金為研究對象,分別研究靜磁場和交變磁場對DZ483合金固態(tài)相變行為及力學性能的影響。同時,探討磁場作用下合金元素Al,Cr在Ni中的擴散行為。采用靜磁場研究DZ483合金固態(tài)相變行為。研究發(fā)現(xiàn),磁場熱處理使合金中γ相尺寸略有減小,抑制γ相由球形轉(zhuǎn)為立方形。延長時效時間,磁場時效處理使枝晶間γ相呈頂角鈍化的立方形析出,而無磁場時效處理使枝晶間γ相呈筏化組織。磁場能抑制γ相的主要形成元素Al,Ti的擴散,從而降低γ相的長大速率,使γ相尺寸略有減小。無磁場*時效處理使偏析較為嚴重的枝晶間區(qū)域得到充分擴散,促進γ相長大,并且在共晶組織附近γ相排列緊密從而使兩相之間產(chǎn)生內(nèi)應力,形成筏化組織。而施加磁場使合金中部分合金元素的擴散受到抑制,從而降低γ相的長大速率。因此,磁場時效處理后枝晶間并沒有發(fā)現(xiàn)筏化組織。對磁場熱處理后的DZ483合金進行力學性能分析,發(fā)現(xiàn)靜磁場可以提高合金的顯微硬度和抗拉強度。磁場使元素Cr、Al、Ti和Mo趨于分布在枝晶干,引起晶格畸變,使合金枝晶干區(qū)域得到強化,從而提高了合金的顯微硬度。12 T磁場作用下得到的球形γ相的數(shù)量明顯大于無磁場作用下得到的立方形γ相的數(shù)量,γ相的數(shù)量越多,強化效果越好,強度越高。利用交變磁場研究DZ483合金的固態(tài)相變行為。交變磁場固溶處理后的DZ483合金中γ相明顯長大,且分布均勻。交變磁場時效處理使γ相呈規(guī)則的立方形析出,無交變磁場作用時γ相呈球形析出,研究發(fā)現(xiàn)交變磁場能促進γ相由球形轉(zhuǎn)變?yōu)榱⒎叫?加速相變發(fā)生。交變磁場能夠提高合金的顯微硬度和抗拉強度,降低合金的延伸率。當施加0.1 T交變磁場時,合金的抗拉強度提高約4.5%,延伸率下降約2.9-5.6%。研究靜磁場作用下Ni/Ni-6.3wt.%Al擴散偶中Al在Ni中的擴散行為,發(fā)現(xiàn)靜磁場可以降低Al在Ni中的擴散系數(shù)和擴散距離。靜磁場是通過降低頻率因子而不是擴散激活能來抑制Al在Ni中的擴散。采用電鍍法研究靜磁場下Ni-Al反應擴散行為,發(fā)現(xiàn)有、無磁場作用下擴散界面均形成Ni2Al3相和NiAl3相。施加靜磁場可以抑制Ni2Al3相的生長,靜磁場是通過降低Ni2Al3相的生長常數(shù)來抑制Ni2Al3相的生長,而對Ni2Al3相的反應激活能無明顯影響,且磁場對反應層厚度的影響具有方向性。研究不同磁場方向?qū)i/Ni-10at.%Cr擴散偶擴散行為的影響。結(jié)果表明,磁場平行于擴散方向時對Cr在Ni中的擴散抑制作用較強,而磁場垂直于擴散方向時對Cr在Ni中的擴散抑制作用較弱。利用交變磁場研究Ni/Ni-10wt.%Cr擴散偶的擴散行為。交變磁場可以提高Cr在Ni中的擴散系數(shù)和擴散距離。交變磁場是通過提高頻率因子而不是擴散激活能來促進Cr在Ni中的擴散。
高溫合金粉末的選區(qū)激光熔化成形是當今快速成型制造領域的重點研究對象,目前該領域已經(jīng)在國家航天和生物醫(yī)療等領域重點應用,但是成形過程激光與粉末反應劇烈,容易形成較大的溫度梯度,引起熱應力,從而形成缺陷影響成形件質(zhì)量。因此,探究高溫合金粉末成形機理,分析溫度場與應力場分布規(guī)律,對高溫合金粉末成形工藝有重要指導意義。本文利用有限元模擬軟件,建立三維瞬態(tài)有限元模型,將激光熱源近似為高斯分布,考慮相變潛熱與材料非線性問題,設計生死單元和參數(shù)化語言命令流,實現(xiàn)鎳基高溫合金成形過程的溫度場模擬與應力場模擬。主要對單道掃描、單層掃描、塊體成形的溫度場進行了分析,著重研究了掃描過程中的溫度分布、掃描線變向轉(zhuǎn)接處的溫度分布和整個時間歷程上的溫度分布情況。討論了掃描速度和激光功率對溫度場影響,熔池尺寸隨著激光功率的增加而增大,瞬時zui高溫度隨著掃描速度的減小而增大,熔池前端的溫度梯度較大。選出了合適的工藝參數(shù),并探討了導致溫度變化和溫度梯度的原因。在溫度場模擬的基礎上,分析了應力場分布的變化規(guī)律,主要針對過程中的應力分布、掃描線變向轉(zhuǎn)接處的應力分布和冷卻到室溫的應力分布進行了分析。在成形件表面主要以拉應力為主,基板上主要以壓應力為主。掃描過程中應力集中主要發(fā)生在掃描線之間與掃描線變向轉(zhuǎn)接處,冷卻到室溫時殘余應力以拉應力為主,集中在成形件邊界和四角上,在掃描線變向轉(zhuǎn)接處出現(xiàn)較大的拉應力,等效應力主要集中在成形件四角和邊界上,這些應力是造成翹曲與裂紋的主要原因。利用模擬結(jié)果進行合金粉末的成形試驗,成功驗證了模擬的可靠性,并制造出致密度良好的塊體成形件。zui后對成形過程的影響因素和成形過程容易產(chǎn)生的缺陷進行了分析,有限元模擬在缺陷形成上的預測較為成功。
