面向航空航天难成形金属材料的热等静压工艺与性能研究

发布时间：2020-05-12 17:26

【摘要】：高性能构件多服役于苛刻环境,以超高承载、极端耐热、超轻量化和高可靠性等为指标,是高超飞行器、运载火箭、轨道空间站和核聚变装置等重大装备的核心组成部分。由于其性能受多重因素的耦合影响,因而对其材料特性和制造方法提出了严峻的挑战:材料需具备轻质、高强的能力,制造需实现几何尺寸精确可控的一体化整体成形。传统的高性能材料面临制备与成形分离,流程长,灵活度低等技术瓶颈问题。因此,亟需寻求一种高性能材料的制备与成形一体化方法,以保证构件具有超高且可控的综合力学性能,又具备复杂的整体结构。热等静压(Hot isostatic pressing,HIP)成形技术是在高温高压条件下结合模具控形技术,能使粉末材料快速且整体成形制造与锻件性能相当的复杂零件;同时又能利用可控的加载温度与压力,实现材料的制备与组织调控。该技术已被美国、俄罗斯和英国等制造业发达国家视为具有发展潜力的成形制造技术。FGH97镍基高温合金,是我国近期自主研发的高温镍基合金,已经在发动机涡轮盘的制作上得到广泛的应用。TA15钛合金是一种典型的近α型的高温钛合金,它既具有α型钛合金良好的热强性,又兼具(α+β)型钛合金的良好的塑形性能。在飞机的机身和发动机的制作中应用的比较广泛。本文主要使用热等静压成形工艺成形FGH97镍基高温合金和TA15钛合金这两种难成形金属材料,具体的研究工作及成果如下:针对热等静压成形镍基高温合金时,其颗粒边界以聚集碳化物,降低制件力学性能的问题,提出了在热等静压过程中先升温,当温度达到最大值的时候再加载压力的异步加载方式。本文对比了异步加载新工艺与传统的同时升温升压的同步加载工艺,研究发现,与同步加载工艺相比,异步加载工艺制件的晶粒尺寸为256.32μm,接近是同步加载工艺制件晶粒尺寸的17倍(15.09μm),但是异步加载工艺成形制件的力学性能要优于同步加载工艺成形的制件。主要是由于同步加载工艺制件的晶粒小,但同时制件中原始粉末颗粒边界较密集所致。针对目前使用热等静压成形TA15钛合金少的问题,在具有代表性的热等静压温度(930℃、980℃和1030℃)条件下,系统研究了TA15钛合金的致密化行为、组织演变和拉伸性能。结果表明随着热等静压温度的升高,制件晶粒尺寸逐渐增加。在930℃时,制件微观组织表现为双态组织,而热等静压温度超过TA15合金的相转变点温度(954℃)时,制件主要是由魏氏组织构成。980℃热等静压成形制件的拉伸强度与其他两组相比稍有下降,但是它的塑性与另外两组相比有明显的增加。
【图文】：

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华中科技大学硕士学位论文1 绪论引言随着航空航天领域的不断发展，对飞行器的性能要求越来越苛刻。对于新一代飞行希望它拥有有起飞距离短、飞行速度快、加速度高等一系列优异的性能，这就对飞动机的推重比、飞机的制作材料和受力构件的力学性能提出了新的要求[1]。目前中空发动机发展的趋势如图 1-1 所示。

镍基高温合金,转子

华中科技大学硕士学位论文[10]。室温条件下，，铁基高温合金的晶体结构是体心立方结构，钴基高温合金构是密排六方的结构，镍基高温合金的晶体结构是面心立方结构。其中，镍基的高温强度和耐腐蚀性能在三种高温合金中最佳，所以镍基高温合金的应用范泛。镍基高温合金的密度比较大，通常在 7.8～9.4 g/cm3之间，密度的大小取添加元素的种类与含量，如 Al、Ti、Cr 等低密度元素含量高时可以降低合金而 W、Rh 和 Ta 等密度较大元素含量较多时合金的密度会增加[11]。目前，镍基主要用在航空发动机的导向叶片、燃气室和涡轮盘等构件。图 1-2 是 IN718 镍金转子，图 1-3 是镍基合金飞机部件。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V261

【参考文献】