NiAl室温塑性调控及电流作用下带筋板锻造工艺研究
发布时间：2021-11-12 13:25
目前世界各国都致力于发展航空航天领域,对该领域所应用的材料综合性能有了更高的要求,因此低密度,高强度的NiAl金属间化合物被大家广泛关注。NiAl材料在高温下强度高,变形困难,且室温下塑性差的种种问题在很大程度上限制了此材料的制造和应用。基于此本课题提出加入铼提高NiAl金属间化合物的室温塑性和引入脉冲电流加热辅助其成形过程,探究了铼元素对NiAl金属间化合物的力学性能和微观组织的影响,NiAl材料锻造工艺中温度分布、型腔填充规律和应力分布,为NiAl带筋板类结构件的成形工艺提供了理论依据和工艺参数。采用Ni、Al和Re粉末热压烧结的方法制备含有不同质量分数铼的NiAl金属间化合物。分别对其进行室温拉伸实验和Gleeble热压缩实验,确定铼元素的添加含量,通过分析其微观组织、形貌特征及EDS能谱探究铼增加室温塑性的内在机制。发现通过二次变形和热处理实验增加了材料致密度和铼的固溶度,使材料的室温塑性得到更大改善。对材料的电加热过程进行有限元模拟,分别模拟了在空气中加热和在模具中加热的两种情况,探究了电流加热NiAl板材的升温规律,解决了电加热过程中由于电极夹持和板材横截面积不同而导致的板...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：89 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
燃气涡轮发动机材料种类[3]
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-3-会提高其机械性能，容易成形出复杂的零件结构。但NiAl的成形温度较高，传统的加热方法不仅能耗较大，升温速率慢，且对模具高温性能要求较高，严重影响成形效率和成形零件的质量。因此，本研究又引入脉冲电流加热方法通过自阻加热辅助成形，对该工艺进行研究，寻找最佳成形工艺参数，最终得到性能良好的高温结构件。1.2NiAl金属间化合物的性质及应用概述1.2.1NiAl金属间化合物的性质NiAl属于原始立方CsCl型晶体结构，它的空间组上Pm3m，晶体结构如图1-2[16]所示，它可以用相互穿透的立方体细胞来描述，Al原子占据立方体体心位置，Ni原子则占据立方体的4个顶点位置，构成B2型超点阵结构，NiAl的晶格常数为0.2887nm[17]。另外，NiAl金属间化合物属于β相化合物，其电子价态与原子比例为3:2，属于金属键与化学键的混合型，使该晶体结构十分稳定。图1-2NiAl晶体结构[16]NiAl的室温塑性较差是由于B2有序结构引起的，它只提供了三个独立的滑移系，根据vonMises准则，五种独立的滑移系上实现多晶材料（如无序金属Al、Fe、Ni和Co及其合金）满意的延性变形所必须的。由于NiAl中仅存在三个独立的滑移系，主动变形机制可能无法提供足够的延性和韧性，满足航空发动机部件的应用要求[18-19]，多晶NiAl的脆性沿晶断裂可追溯到独立滑移体系[20]数量不足。因此，为了提高多晶NiAl的塑性，有必要激活附加滑移体系。表1-2为NiAl金属间化合物的物理性能[21]。从表中可以看出，NiAl金属间化合物具有优秀的物理性能，如低电阻，高热导率，较大的比热容和较高的熔点。
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-5-可以提高材料的断裂强度。在传统的铸造过程中，硅可以通过与含硅模具的反应而无意中被合并。两种类型的前相，一种Heusler相（Ni2AlHf）和一种G相（Ni16Hf6Si7）对促进沉淀强化起到重要作用，两种相的形貌高度依赖于合金的热处理制度。与此同时，另一个相，NiHfSi相也被科研人员发现，但目前大家对它的作用机制还没有完全研究出来，但可以推测，在合金的热处理制度不适合时，会产生此相，此相可能使合金断裂性能变差，认为不利于合金的塑性变形。将Ti级别增加到5.0at%（AFN-20），其断裂强度相当于ReneN4，第一代单晶镍基高温合金。表1-3代表性的高强度NiAl合金组成（单位：at%）[25]合金NiAlGaHfTiAFN-125048.450.050.51AFN-205044.450.050.55图1-3给出了NiAl合金的沉淀相的形貌。沉淀相使得NiAl合金的高温拉伸强度和应力断裂强度得到了改善，抗蠕变性能和抗疲劳性能得到了提高。图1-3NiAl+Hf合金的微观结构变化a)NiAl+Hf合金与Heusler(Ni2AlHf)析出；b)含有0.3Si的NiAl+Hf合金中G相(Ni16Hf6Si7)析出；c)NiAl+0.5Hf+0.3Si合金中E相(NiHfSi)析出
【参考文献】：
期刊论文
[1]熔模精密铸造在航空航天领域的应用现状与发展趋势[J]. 樊振中. 航空制造技术. 2019(09)
[2]电拔丝工艺及装置研究动态及展望[J]. 汤超,张宇,宋玉元,韩小涛. 热加工工艺. 2019(07)
[3]应变速率和电流处理对铜及铜合金电致塑性效应的影响[J]. 张宁,刘茂林,王新丽,赵骧. 科学技术与工程. 2019(04)
[4]板材自阻加热成形中电流的热效应与极性效应研究进展[J]. 张凯锋. 锻压技术. 2018(07)
[5]电致塑性效应本构方程的研究[J]. 彭书华. 塑性工程学报. 2018(02)
[6]铼含量微量调整对第三代镍基单晶高温合金组织和高温持久性能的影响[J]. 方向,张剑,赵云松,杨振宇,许剑伟,吴庆辉,姜华,骆宇时. 机械工程材料. 2018(01)
[7]铼在镍基高温合金中作用机理的研究现状[J]. 丁青青,余倩,李吉学,张泽. 材料导报. 2018(01)
[8]粉末冶金技术在新能源材料中的应用[J]. 何恒礼. 科技资讯. 2017(34)
[9]粉末冶金发展状况[J]. 陈梦婷,石建军,陈国平. 粉末冶金工业. 2017(04)
[10]5A90 Al-Li合金桁条电流自阻加热成形技术[J]. 肖寒,张凯锋,姜巨福,王博,易卓勋,赖小明. 锻压技术. 2017(07)
博士论文
[1]航空镍基高温合金叶片定向凝固过程多尺度耦合数值模拟研究[D]. 郭钊.华中科技大学 2019
硕士论文
[1]AZ31B镁合金板材电阻热控温单点渐进成形实验研究[D]. 白华伟.山东大学 2019
本文编号：3491002
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：89 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
燃气涡轮发动机材料种类[3]
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-3-会提高其机械性能，容易成形出复杂的零件结构。但NiAl的成形温度较高，传统的加热方法不仅能耗较大，升温速率慢，且对模具高温性能要求较高，严重影响成形效率和成形零件的质量。因此，本研究又引入脉冲电流加热方法通过自阻加热辅助成形，对该工艺进行研究，寻找最佳成形工艺参数，最终得到性能良好的高温结构件。1.2NiAl金属间化合物的性质及应用概述1.2.1NiAl金属间化合物的性质NiAl属于原始立方CsCl型晶体结构，它的空间组上Pm3m，晶体结构如图1-2[16]所示，它可以用相互穿透的立方体细胞来描述，Al原子占据立方体体心位置，Ni原子则占据立方体的4个顶点位置，构成B2型超点阵结构，NiAl的晶格常数为0.2887nm[17]。另外，NiAl金属间化合物属于β相化合物，其电子价态与原子比例为3:2，属于金属键与化学键的混合型，使该晶体结构十分稳定。图1-2NiAl晶体结构[16]NiAl的室温塑性较差是由于B2有序结构引起的，它只提供了三个独立的滑移系，根据vonMises准则，五种独立的滑移系上实现多晶材料（如无序金属Al、Fe、Ni和Co及其合金）满意的延性变形所必须的。由于NiAl中仅存在三个独立的滑移系，主动变形机制可能无法提供足够的延性和韧性，满足航空发动机部件的应用要求[18-19]，多晶NiAl的脆性沿晶断裂可追溯到独立滑移体系[20]数量不足。因此，为了提高多晶NiAl的塑性，有必要激活附加滑移体系。表1-2为NiAl金属间化合物的物理性能[21]。从表中可以看出，NiAl金属间化合物具有优秀的物理性能，如低电阻，高热导率，较大的比热容和较高的熔点。
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-5-可以提高材料的断裂强度。在传统的铸造过程中，硅可以通过与含硅模具的反应而无意中被合并。两种类型的前相，一种Heusler相（Ni2AlHf）和一种G相（Ni16Hf6Si7）对促进沉淀强化起到重要作用，两种相的形貌高度依赖于合金的热处理制度。与此同时，另一个相，NiHfSi相也被科研人员发现，但目前大家对它的作用机制还没有完全研究出来，但可以推测，在合金的热处理制度不适合时，会产生此相，此相可能使合金断裂性能变差，认为不利于合金的塑性变形。将Ti级别增加到5.0at%（AFN-20），其断裂强度相当于ReneN4，第一代单晶镍基高温合金。表1-3代表性的高强度NiAl合金组成（单位：at%）[25]合金NiAlGaHfTiAFN-125048.450.050.51AFN-205044.450.050.55图1-3给出了NiAl合金的沉淀相的形貌。沉淀相使得NiAl合金的高温拉伸强度和应力断裂强度得到了改善，抗蠕变性能和抗疲劳性能得到了提高。图1-3NiAl+Hf合金的微观结构变化a)NiAl+Hf合金与Heusler(Ni2AlHf)析出；b)含有0.3Si的NiAl+Hf合金中G相(Ni16Hf6Si7)析出；c)NiAl+0.5Hf+0.3Si合金中E相(NiHfSi)析出
【参考文献】：
期刊论文
[1]熔模精密铸造在航空航天领域的应用现状与发展趋势[J]. 樊振中. 航空制造技术. 2019(09)
[2]电拔丝工艺及装置研究动态及展望[J]. 汤超,张宇,宋玉元,韩小涛. 热加工工艺. 2019(07)
[3]应变速率和电流处理对铜及铜合金电致塑性效应的影响[J]. 张宁,刘茂林,王新丽,赵骧. 科学技术与工程. 2019(04)
[4]板材自阻加热成形中电流的热效应与极性效应研究进展[J]. 张凯锋. 锻压技术. 2018(07)
[5]电致塑性效应本构方程的研究[J]. 彭书华. 塑性工程学报. 2018(02)
[6]铼含量微量调整对第三代镍基单晶高温合金组织和高温持久性能的影响[J]. 方向,张剑,赵云松,杨振宇,许剑伟,吴庆辉,姜华,骆宇时. 机械工程材料. 2018(01)
[7]铼在镍基高温合金中作用机理的研究现状[J]. 丁青青,余倩,李吉学,张泽. 材料导报. 2018(01)
[8]粉末冶金技术在新能源材料中的应用[J]. 何恒礼. 科技资讯. 2017(34)
[9]粉末冶金发展状况[J]. 陈梦婷,石建军,陈国平. 粉末冶金工业. 2017(04)
[10]5A90 Al-Li合金桁条电流自阻加热成形技术[J]. 肖寒,张凯锋,姜巨福,王博,易卓勋,赖小明. 锻压技术. 2017(07)
博士论文
[1]航空镍基高温合金叶片定向凝固过程多尺度耦合数值模拟研究[D]. 郭钊.华中科技大学 2019
硕士论文
[1]AZ31B镁合金板材电阻热控温单点渐进成形实验研究[D]. 白华伟.山东大学 2019
本文编号：3491002
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