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無錫國勁合金有限公司
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閱讀：263發布時間：2017-2-10
GH4169合金是沉淀強化型鎳鐵基高溫合金,在發動機、石油、核工業等領域已得到廣泛應用。以往研究表明,當使用溫度超過650℃時,其主要強化相γ"會發生相轉變,使強化相的體積分數和強化效應下降,限制了合金在更高溫度領域的應用。本研究在總結GH4169合金組織、析出相特征和相關性能的基礎上,介紹δ相的析出和分布與合金性能的關系,總結了該合金的成分改性特點,對該合金在700℃甚至更高溫度/低應力下*使用的可能性做出了展望。 發展冶金結合兼顧耐磨耐蝕性的低成本、高質量涂層及其制備方法是表面工程研究領域重要發展方向之一。本文采用超音頻感應熔覆制備低成本鐵基、鎳基合金涂層方法,研究具有冶金結合、耐蝕、耐磨三者兼顧的綜合性能涂鍍層制備技術,主要探討了以下三個關鍵科學問題：(1)鐵、鎳基合金粉體感應熔覆形成硬質顆粒復合增強結構涂層的形成條件與影響規律；(2)硬質顆粒復合增強結構感應熔覆涂層成分、組織與其冶金結合、耐蝕、耐磨性的關系；(3)硬質顆粒復合增強結構感應熔覆涂層耐磨性與其受摩擦磨損時能否發生晶態-非晶態結構轉變、形成原因及其與非晶含量的關系。通過自行組建超音頻感應涂層制備裝置,選用T×××鐵基合金粉體(FeCrNiCoMo、FeCrBSi、FeCrBMo),并與普遍認為耐磨耐蝕鎳基合金NiCrBSi(Ni60A)進行對比研究,成功制備出冶金結合、低孔隙、低稀釋率耐磨耐蝕性能優異的鐵基、鎳基涂層。獲得了感應熔覆工藝條件影響規律：工作電流和加熱時間減少,涂層孔隙率逐漸增大,涂層/基體界面呈機械結合或半冶金結合；工作電流和加熱時間增加,涂層孔隙率逐漸降低,涂層稀釋率不斷增加,熔池溫度決定涂層/基體界面兩側合金元素互擴散速率。鎳基、鐵基涂層微觀組織結構致密,呈非平衡快速凝固特征。涂層/基體界面區域在快速冷卻凝固狀態下呈現附于基體半熔化區晶粒外延生長且與熱流方向平行的平面晶組織,底部為樹枝晶結構。熔點及合金成分差異是鎳基、鐵基涂層微觀結構和物相組成不同的主因,鐵基初始熔覆狀態下涂層為純晶態結構,鎳基涂層物相轉變過程為L→(γ+L)+CrB+Cr7C3→γ+CrB+Cr7C3+γ-Ni/Ni3Si；鐵基涂層物相轉變過程為：L→(α/γ+L)+(Cr,Fe)2B→α/γ+(Cr,Fe)2B+α/γ)/(Cr,Fe)2B。鎳基、鐵基涂層具有優良的室溫和高溫干滑動摩擦磨損性能。研究結果表明：鎳基、鐵基涂層顯微硬度沿層深方向呈梯度增加趨勢,涂層/基體界面處的渦流及趨膚效應協同作用引發界面硬度顯著增加,硬度超過基體的2倍。涂層室溫磨損機理為彌散強化、固溶強化,隨載荷、磨損速率、磨損時間的增加,涂層磨損機制由輕度粘著磨損、磨粒磨損逐漸向中度粘著磨損、磨粒磨損轉變；涂層高溫磨損機理為彌散強化、固溶強化及氧化膜自潤滑保護混合機制,磨損機制為粘著磨損、磨粒磨損和氧化磨損的混合機制。鐵基涂層硬度和耐磨性優于鎳基涂層,硬質析出相含量、固溶體韌性越高,涂層硬度、耐磨性能越高。鎳基、鐵基涂層具有優良的耐蝕性能,浸泡試驗和電化學測試結果表明：鎳基、鐵基涂層在模擬海水溶液中的腐蝕機理為陽極溶解和鈍化膜保護機制,涂層鈍化膜由Cr2O3、 FeCr2O4、 SiO2組成,涂層具有優良耐蝕性能的本質原因是高致密性復合氧化膜的鈍化作用對腐蝕介質有的機械阻隔作用；H2S/CO2高溫高壓環境下,鎳基涂層腐蝕產物主要為FeS、 CrS,鐵基涂層腐蝕產物主要為FeS、 FeCr2S4,涂層較好的耐蝕性主要是由于溫度升高促進腐蝕產物的沉積和產物膜致密度的提升,對腐蝕介質起到隔離作用；涂層高溫氧化動力學曲線符合拋物線規律,致密連續、附著力良好的(Cr,Fe)2O3復合型氧化膜為涂層提供良好的高溫抗氧化性能。硬質顆粒復合增強結構感應熔覆FeCrNiCoMo和FeCrBSi涂層受摩擦磨損會發生晶態-非晶態結構轉變,晶態-非晶態轉變有利于提高涂層減摩、抗磨能力,該現象的發生歸因于磨損過程中大量位錯等缺陷的引入使涂層晶體結構自由能不斷增加直至晶態結構失穩,非晶含量隨磨損時間和載荷的增加逐漸提高并趨于穩定在40%附近；隨涂層凝固速率增加,枝晶半徑逐漸減小,枝晶間距逐漸增加,再減小；Ni元素含量越高,涂層γ相區越大,Ni元素較高時,初生γ相為橢球狀結構,Ni元素較低時,初生γ相則呈現不規則結構；基于LS-SVM建立涂層磨損預測模型,磨損預測模型在較少預測樣本前提下仍能獲得較為準確的磨損行為預測結果。建立了一套快速、單次熔覆大厚度且精度可控的涂層制備方法,分別在直通管和帶凹槽導輪零件表面制備厚度分別達6.0、3.6mm感應熔覆涂層；感應重熔保護層以SiO2、 Al2O3為骨架,實現了HVOF涂層與基體由機械結合向牢固冶金結合的轉變,涂層孔隙率從5.74%大幅降至0.43%,耐蝕性能提高2.74倍。
鐵基高溫合金是一種普遍應用于國防、能源、以及核工業等領域的高溫結構材料,提高其抗氧化性對發展和改進鐵基高溫合金具有重要的意義。本文通過粉末合金化的方法對鐵基高溫合金的成分配比進行優化試驗,首先對工件樣品進行成分分析和抗氧化性檢測,然后通過單因素實驗分別考察了Al、Si、Cr和Ni等成分對鐵基高溫合金基體抗氧化性的影響,在此基礎上運用正交實驗探究各因素的綜合影響程度并zui終獲得12009下抗氧化性的合金粉末成分配比的參數,即Al<4%,Cr在20%左右,含量Si不低于1.5%,Ni>8%,這也為今后改進爐用鐵基高溫合金的抗氧化性能、降低制造成本和提高工件使用壽命提供了技術路線和實驗依據。
JMat Pro和鎳鐵基合金數據庫,計算分析了一種新型γ相強化鎳鐵基高溫合金的凝固特征溫度和熱力學平衡相的析出行為;評估了調整γ相形成元素Al、Ti,抗蝕元素Cr和C含量對合金凝固特征溫度和相析出行為的影響。結果表明:合金主要相組成為γ、γ、MC和M23C6;隨著Ti和Al含量的提高,γ相的析出溫度和含量增加,Ti元素的影響更顯著;Cr含量的增加會降低合金液相線、固相線和M23C6相的析出溫度并致M23C6相的析出含量先增加后減小;增加C含量會減小合金的結晶溫度間隔、提高MC和M23C6相的析出溫度和析出含量。本模擬研究結果將為合金的優化設計提供參考。
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