DZ483合金是*代定向凝固鎳基高溫合金,主要應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)中。由于合金在定向凝固過程會(huì)造成枝晶偏析,這就要求對(duì)合金進(jìn)行合理的熱處理來改善合金的組織及力學(xué)性能。近幾十年來,磁場(chǎng)熱處理技術(shù)得到廣泛的關(guān)注,尤其是磁場(chǎng)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(duì)磁場(chǎng)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(duì)象,分別研究靜磁場(chǎng)和交變磁場(chǎng)對(duì)DZ483合金固態(tài)相變行為及力學(xué)性能的影響。同時(shí),探討磁場(chǎng)作用下合金元素Al,Cr在Ni中的擴(kuò)散行為。采用靜磁場(chǎng)研究DZ483合金固態(tài)相變行為。研究發(fā)現(xiàn),磁場(chǎng)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(zhǎng)時(shí)效時(shí)間,磁場(chǎng)時(shí)效處理使枝晶間γ相呈頂角鈍化的立方形析出,而無磁場(chǎng)時(shí)效處理使枝晶間γ相呈筏化組織。磁場(chǎng)能抑制γ相的主要形成元素Al,Ti的擴(kuò)散,從而降低γ相的長(zhǎng)大速率,使γ相尺寸略有減小。無磁場(chǎng)*時(shí)效處理使偏析較為嚴(yán)重的枝晶間區(qū)域得到充分?jǐn)U散,促進(jìn)γ相長(zhǎng)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(yīng)力,形成筏化組織。而施加磁場(chǎng)使合金中部分合金元素的擴(kuò)散受到抑制,從而降低γ相的長(zhǎng)大速率。因此,磁場(chǎng)時(shí)效處理后枝晶間并沒有發(fā)現(xiàn)筏化組織。對(duì)磁場(chǎng)熱處理后的DZ483合金進(jìn)行力學(xué)性能分析,發(fā)現(xiàn)靜磁場(chǎng)可以提高合金的顯微硬度和抗拉強(qiáng)度。磁場(chǎng)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(qiáng)化,從而提高了合金的顯微硬度。12 T磁場(chǎng)作用下得到的球形γ相的數(shù)量明顯大于無磁場(chǎng)作用下得到的立方形γ相的數(shù)量,γ相的數(shù)量越多,強(qiáng)化效果越好,強(qiáng)度越高。利用交變磁場(chǎng)研究DZ483合金的固態(tài)相變行為。交變磁場(chǎng)固溶處理后的DZ483合金中γ相明顯長(zhǎng)大,且分布均勻。交變磁場(chǎng)時(shí)效處理使γ相呈規(guī)則的立方形析出,無交變磁場(chǎng)作用時(shí)γ相呈球形析出,研究發(fā)現(xiàn)交變磁場(chǎng)能促進(jìn)γ相由球形轉(zhuǎn)變?yōu)榱⒎叫?加速相變發(fā)生。交變磁場(chǎng)能夠提高合金的顯微硬度和抗拉強(qiáng)度,降低合金的延伸率。當(dāng)施加0.1 T交變磁場(chǎng)時(shí),合金的抗拉強(qiáng)度提高約4.5%,延伸率下降約2.9-5.6%。研究靜磁場(chǎng)作用下Ni/Ni-6.3wt.%Al擴(kuò)散偶中Al在Ni中的擴(kuò)散行為,發(fā)現(xiàn)靜磁場(chǎng)可以降低Al在Ni中的擴(kuò)散系數(shù)和擴(kuò)散距離。靜磁場(chǎng)是通過降低頻率因子而不是擴(kuò)散激活能來抑制Al在Ni中的擴(kuò)散。采用電鍍法研究靜磁場(chǎng)下Ni-Al反應(yīng)擴(kuò)散行為,發(fā)現(xiàn)有、無磁場(chǎng)作用下擴(kuò)散界面均形成Ni2Al3相和NiAl3相。施加靜磁場(chǎng)可以抑制Ni2Al3相的生長(zhǎng),靜磁場(chǎng)是通過降低Ni2Al3相的生長(zhǎng)常數(shù)來抑制Ni2Al3相的生長(zhǎng),而對(duì)Ni2Al3相的反應(yīng)激活能無明顯影響,且磁場(chǎng)對(duì)反應(yīng)層厚度的影響具有方向性。研究不同磁場(chǎng)方向?qū)i/Ni-10at.%Cr擴(kuò)散偶擴(kuò)散行為的影響。結(jié)果表明,磁場(chǎng)平行于擴(kuò)散方向時(shí)對(duì)Cr在Ni中的擴(kuò)散抑制作用較強(qiáng),而磁場(chǎng)垂直于擴(kuò)散方向時(shí)對(duì)Cr在Ni中的擴(kuò)散抑制作用較弱。利用交變磁場(chǎng)研究Ni/Ni-10wt.%Cr擴(kuò)散偶的擴(kuò)散行為。交變磁場(chǎng)可以提高Cr在Ni中的擴(kuò)散系數(shù)和擴(kuò)散距離。交變磁場(chǎng)是通過提高頻率因子而不是擴(kuò)散激活能來促進(jìn)Cr在Ni中的擴(kuò)散。
高溫合金粉末的選區(qū)激光熔化成形是當(dāng)今快速成型制造領(lǐng)域的重點(diǎn)研究對(duì)象,目前該領(lǐng)域已經(jīng)在國(guó)家航天和生物醫(yī)療等領(lǐng)域重點(diǎn)應(yīng)用,但是成形過程激光與粉末反應(yīng)劇烈,容易形成較大的溫度梯度,引起熱應(yīng)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(jī)理,分析溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律,對(duì)高溫合金粉末成形工藝有重要指導(dǎo)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(shè)計(jì)生死單元和參數(shù)化語言命令流,實(shí)現(xiàn)鎳基高溫合金成形過程的溫度場(chǎng)模擬與應(yīng)力場(chǎng)模擬。主要對(duì)單道掃描、單層掃描、塊體成形的溫度場(chǎng)進(jìn)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(gè)時(shí)間歷程上的溫度分布情況。討論了掃描速度和激光功率對(duì)溫度場(chǎng)影響,熔池尺寸隨著激光功率的增加而增大,瞬時(shí)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(dǎo)致溫度變化和溫度梯度的原因。在溫度場(chǎng)模擬的基礎(chǔ)上,分析了應(yīng)力場(chǎng)分布的變化規(guī)律,主要針對(duì)過程中的應(yīng)力分布、掃描線變向轉(zhuǎn)接處的應(yīng)力分布和冷卻到室溫的應(yīng)力分布進(jìn)行了分析。在成形件表面主要以拉應(yīng)力為主,基板上主要以壓應(yīng)力為主。掃描過程中應(yīng)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(shí)殘余應(yīng)力以拉應(yīng)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(yīng)力,等效應(yīng)力主要集中在成形件四角和邊界上,這些應(yīng)力是造成翹曲與裂紋的主要原因。利用模擬結(jié)果進(jìn)行合金粉末的成形試驗(yàn),成功驗(yàn)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(duì)成形過程的影響因素和成形過程容易產(chǎn)生的缺陷進(jìn)行了分析,有限元模擬在缺陷形成上的預(yù)測(cè)較為成功。
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