定向凝固镍基高温合金叶片榫齿高效深切成型磨削
定向凝固技术及其应用
定向凝固技术及其应用1.定向凝固理论基础及方法定向凝固又称定向结晶，是指金属或合金在熔体中定向生长晶体的一种方法。
定向凝固技术是在铸型中建立特定方向的温度梯度，使熔融合金沿着热流相反的方向，按要求的结晶取向进行凝固铸造的工艺。
它能大幅度地提高高温合金综合性能。
定向凝固的目的是为了使铸件获得按一定方向生长的柱状晶或单晶组织。
定向凝固铸件的组织分为柱状、单晶和定向共晶3种。
要得到定向凝固组织需要满足的条件，首先要在开始凝固的部位形成稳定的凝固壳，凝固壳的形成阻止了该部位的型壁晶粒游离，并为柱状晶提供了生长基础，该条件可通过各种激冷措施达到。
其次，要确保凝固壳中的晶粒按既定方向通过择优生长而发展成平行排列的柱状晶组织，同时，为使柱状晶的纵向生长不受限制，并且在其组织中不夹杂有异向晶粒，固液界面前方不应存在生核和晶粒游离现象。
这个条件可通过下述措施来满足：（1）严格的单向散热。
要使凝固系统始终处于柱状晶生长方向的正温度梯度作用下，并且要绝对阻止侧向散热，以避免界面前方型壁及其附近的生核和长大。
（2）要有足够大的液相温度梯度与固液界面向前推进速度比值以使成分过冷限制在允许的范围内。
同时要减少熔体的非均质生核能力，这样就能避免界面前方的生核现象，提高熔体的纯净度，减少因氧化和吸氧而形成的杂质污染，对已有的有效衬底则通过高温加热或加入其他元素来改变其组成和结构等方法均有助于减少熔体的非均质生核能力。
（3）要避免液态金属的对流。
搅拌和振动，从而阻止界面前方的晶粒游离，对晶粒密度大于液态金属的合金，避免自然对流的最好方法就是自下而上地进行单向结晶。
当然也可以通过安置固定磁场的方法阻止其单向结晶过程中的对流。
从这三个条件我们可以推断，为了实现定向凝固，在工艺技术上必须采取措施避免侧向散热，同时在靠近固液界面的熔体中维持较高的温度梯度。
定向生长理论和它的应用很大程度上取决于先进定向凝固技术。
自从Bridgman和Stockbarger在20世纪20年达提出奠定了现代定向凝固和单晶生长技术基础的Bridgman定向凝固技术，定向凝固就被广泛运用于制备各种结构和功能材料。
镍基单晶高温合金杂晶缺陷的研究进展
第16卷第1期精密成形工程陈楚玥，霍苗*，简航岳（西安石油大学材料科学与工程学院，西安 710065）摘要：随着单晶涡轮叶片结构的不断优化和高温合金中难熔元素添加量的增大，镍基高温合金单晶叶片在凝固过程中更易出现杂晶、条纹晶、枝晶碎臂、小角度晶界等缺陷。
其中，杂晶是单晶叶片制备过程中最常见的一类凝固缺陷，严重影响单晶叶片的成品率。
为了减少该类凝固缺陷的产生，提高叶片的成品率，研究镍基单晶高温合金杂晶缺陷的形成机制、影响因素及其控制措施，对提高单晶叶片的服役性能具有重要意义。
因此，关于定向凝固过程中杂晶缺陷的形成机制、影响因素及其控制措施的研究，引起了国内外研究者的广泛关注。
本文综述了单晶叶片的制备技术，分析了籽晶法和选晶法制备单晶叶片过程中不同位置杂晶的形成机理，分别讨论了选晶段杂晶、籽晶回熔区杂晶、缘板杂晶的影响因素和控制措施，并对未来的研究方向进行了展望。
关键词：镍基单晶高温合金；定向凝固；杂晶缺陷；控制方法DOI：10.3969/j.issn.1674-6457.2024.01.015中图分类号：TG132.3 文献标志码：A 文章编号：1674-6457(2024)01-0129-11Research Progress on Stray Grain Defects in Ni-based Single Crystal SuperalloyCHEN Chuyue, HUO Miao*, JIAN Hangyue(School of Materials Science and Engineering, Xi'an Shiyou University, Xi'an 710065, China)ABSTRACT: With the complexity of turbine blade structure and the increase of refractory elements in alloy, solidification de-fects such as stray grain, freckles, dendrites fragment and low angle grain boundaries are more likely to occur during the prepa-ration of nickel-based single crystal superalloy blades. Among them, the occurrence of stray grain is a prevalent defect during the solidification process in the production of single crystal blades, which seriously affects the delivery rate of single crystal blades. In order to reduce the occurrence of such solidification defects and improve the yield of blades, the work aims to study the formation mechanism, affecting factors and strategies for mitigating stray grain defects in nickel-based single crystal super-alloy, which is of significant importance for enhancing the service performance of single crystal blades. Therefore, the investiga-tion into the formation mechanism, affecting factors, and strategies for mitigating stray grain defects in directional solidification process has attracted extensive attention from researchers in China and abroad. The preparation technology of single crystal收稿日期：2023-08-19Received：2023-08-19基金项目：国家自然科学基金（5210011310）；陕西省自然科学基础研究计划（2021JM-403）；陕西省教育厅科研计划（21JC027）；西安市科技计划（2020KJRC0100）Fund：National Natural Science Foundation of China(521001130); Natural Science Basic Research Program of Shaanxi Province （2021JM-403）；Scientific Research Program of Shaanxi Provincial Education Department (21JC027)；Xi'an Science and Technology Plan(2020KJRC0100)引文格式：陈楚玥, 霍苗, 简航岳. 镍基单晶高温合金杂晶缺陷的研究进展[J]. 精密成形工程, 2024, 16(1): 129-139.CHEN Chuyue, HUO Miao, JIAN Hangyue. Research Progress on Stray Grain Defects in Ni-based Single Crystal Superalloy[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2024, 16(1): 129-139.*通信作者（Corresponding author）130精密成形工程 2024年1月blade was reviewed, the formation mechanism of stray grain at different positions in the preparation process of single crystal blade by seed crystal method and crystal selection method was analyzed, the affecting factors and measures used to control stray grain in the crystal selection section, seed crystal remelting zone and edge plate stray grain were discussed, and the future re-search direction was prospected.KEY WORDS: Ni-based single crystal superalloy; directional solidification; stray grain defect; control methods随着交通、生产等行业对飞机性能要求的不断提高，最早的活塞式发动机已不能满足需求，燃气涡轮发动机逐渐走向主流。
镍基单晶合金力学特性及其在冷却涡轮叶片上的应用分析
镍基单晶合金力学特性及其在冷却涡轮叶片上的应用分析一、本文概述本文旨在深入研究和探讨镍基单晶合金的力学特性，以及其在冷却涡轮叶片上的具体应用。
镍基单晶合金，以其出色的高温性能、优良的抗氧化性和卓越的机械强度，在航空航天领域，特别是在高性能涡轮发动机的设计制造中占据了重要地位。
涡轮叶片作为发动机中的关键部件，其性能直接影响到发动机的整体效率和安全性。
因此，研究镍基单晶合金的力学特性，以及如何利用这些特性优化涡轮叶片的设计和制造，具有重要的理论和实践意义。
本文首先将对镍基单晶合金的基本力学特性进行详细的分析，包括其强度、韧性、蠕变行为等关键性能指标。
接着，将探讨这些特性在高温、高应力等复杂环境下的变化规律，以及影响这些变化的主要因素。
在此基础上，本文将进一步分析镍基单晶合金在冷却涡轮叶片上的应用，包括叶片的设计、制造、性能测试等方面。
本文将总结镍基单晶合金在涡轮叶片领域的应用现状和发展趋势，以期为相关领域的研究和实践提供有益的参考和启示。
二、镍基单晶合金的力学特性镍基单晶合金，作为一种高性能材料，具有许多独特的力学特性，这些特性使其在航空、航天等高科技领域，特别是在冷却涡轮叶片的制造中发挥了重要作用。
镍基单晶合金具有极高的高温强度。
在高温环境下，许多金属材料的强度会大幅度下降，而镍基单晶合金则能在高温下保持较高的强度，这对于需要承受高温环境的涡轮叶片来说是非常重要的。
镍基单晶合金具有优异的抗蠕变性能。
蠕变是指材料在长时间持续应力作用下发生的缓慢塑性变形。
镍基单晶合金的优异抗蠕变性能使其在高温和长期应力作用下能够保持较好的尺寸稳定性，这对于涡轮叶片等需要长期承受高温和应力的部件来说至关重要。
镍基单晶合金还具有较好的延展性和韧性。
这意味着在受到外力冲击时，镍基单晶合金能够吸收较多的能量，而不易断裂，从而提高了部件的安全性和可靠性。
镍基单晶合金还具有良好的抗氧化性能。
在高温环境下，金属材料容易发生氧化，导致性能下降。
第八章-凝固新技术—定向凝固
在提高GL的条件下，增加R，才能获得所要求的晶体形态，细化组 织，改善质量，并且，提高定向凝固铸件生产率。
定向凝固技术和装置不断改进，其关键技术之一是提高 固-液界面前沿液相中的温度梯度GL。目前， GL已经达到 100-300℃/cm，工业生产中已达到30-80℃/cm。
西北工业大学李建国等人通过改变加热方式，在液态 金属冷却法（LMC法）的基础上发展的一种新型定向凝固 技术—区域熔化液态金属冷却法，即ZMLMC法。
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这种方法将区域熔炼与液态金属冷却相结合，利用 感应加热机中队了凝固洁面前沿液相进行加热，从而有 效地提高了固液前沿的温度梯度。西北工业大些研制的 ZMLMC定向凝固装置，其最高温度梯度可达1300K/cm,最
怎么看都是个美女，可是她与众不同 ，十分 特殊。
7、鬓珠作衬，乃具双目如
星复作月，脂窗粉塌能鉴人。略有妖 意，未 见媚态 ，妩然 一段风 姿，谈 笑间， 唯
少
• 定向凝固涡轮叶片，寿命是普通铸造的2.5倍 • 单晶叶片，寿命是普通铸造的5倍
等轴晶、定向柱状晶、单晶叶片
自1965年美国普拉特·惠特尼航空公司采用高 温合金定向凝固技术以来，这项技术已经在许多 国家得到应用。
此外，由于凝固速率慢，铸件偏析严 重，热处理困难。因此HRS法生产重型燃机 用大尺寸叶片时，成品率低，效率低，成 本高。
• 4．液态金属冷却法(L．M．C法)
• 1974年出现的一种新的单向凝固方法； • 工艺过程与H.R.S 法基本相同，主要区别：在于冷却介质为低
熔点的液态金属。当合金液浇入型壳后，按选择的速度将壳 型拉出炉体，模壳直接浸入金属浴中冷却。金属浴的水平面 保持在凝固的固一液界面近处，并使其保持在一定温度范围 内。散热大大增强。
SG 砂轮磨削镍基合金GH4169 砂轮磨损机理与磨削性能的实验评价
表面技术第50卷第12期SG砂轮磨削镍基合金GH4169砂轮磨损机理与磨削性能的实验评价黄保腾１，张彦彬１，王晓铭１，陈云2，曹华军3，刘波4，聂晓霖5，李长河１（1.青岛理工大学 机械与汽车工程学院，山东 青岛 266520；2.成都工具研究所有限公司， 成都 610500；3.重庆大学 机械工程学院，重庆 400044；4.四川明日宇航工业有限责任公司， 四川 什邡 618400；5.南京科润工业介质股份有限公司，南京 211106）摘要：目的减少磨削镍基合金GH4169过程中砂轮磨损和堵塞现象，提高工件表面质量。
方法采用WA 和SG砂轮磨削镍基合金GH4169，通过观察磨削前后砂轮表面微观形貌，研究两种砂轮表面材料粘附、堵塞以及磨粒破碎等主要磨损机制。
从磨削力、工件表面形貌、磨削比能3个方面评价两种砂轮的磨削性能，并探究磨削参数对砂轮磨削力、工件表面形貌、磨削比能的影响规律。
结果在去除相同体积材料时，SG 砂轮的磨削力较小，所消耗的能量较WA砂轮低21.5%，SG砂轮所加工工件表面的粗糙度明显低于WA砂轮所加工工件表面的粗糙度，两者表面粗糙度差值均在1 μm以上。
SG砂轮表面材料粘附现象较轻，WA砂轮表面出现了大面积的材料粘附，造成了砂轮堵塞。
结论SG磨粒因内部致密的微小晶粒所决定的微破碎机制，使SG砂轮在磨削镍基合金GH4169过程中保持了锋利的磨削刃，减少了砂轮表面的材料粘附，同时也获得了良好的工件表面质量。
另外，SG磨粒较WA磨粒具有更佳的力学性能，使其在去除相同体积材料时所消耗的能量更少。
关键词：SG砂轮；镍基合金GH4169；磨削；砂轮磨损；微观形貌中图分类号：TG582 文献标识码：A 文章编号：1001-3660(2021)12-0062-09DOI：10.16490/ki.issn.1001-3660.2021.12.006Experimental Evaluation of Wear Mechanism and Grinding Performance of SG Wheel in Machining Nickel-based Alloy GH4169HUANG Bao-teng1, ZHANG Yan-bin1, WANG Xiao-ming1, CHEN Yun2,CAO Hua-jun3, LIU Bo4, NIE Xiao-lin5, LI Chang-he1收稿日期：2021-09-30；修订日期：2021-11-26Received：2021-09-30；Revised：2021-11-26基金项目：国家重点研发计划（2020YFB2010500）；山东省重大科技创新工程项目（2019JZZY020111）；国家自然科学基金面上项目（51975305）；国家自然科学基金青年基金（51905289）Fund：National Key Research and Development Plan (2020YFB2010500), Major Science and Technology Innovation Engineering Projects of Shandong Province (2019JZZY020111), General Project of National Natural Science Foundation of China (51975305), Youth Program of National Natural Science Foundation of China (51905289)作者简介：黄保腾（1996—），男，硕士研究生，主要研究方向为磨削与精密加工。
镍基高温合金中η相研究
镍基高温合金中η相研究镍基高温合金被广泛应用于航空、航天、能源等领域，其性能的稳定性和耐高温特性使其成为关键的结构材料之一。
然而，镍基高温合金中的η相对其性能产生了一定影响，因此有必要对η相进行深入研究，以进一步优化合金的性能和应用。
η相是指镍基高温合金中析出的富有固溶元素的相，其特点包括高硬度、高强度和耐腐蚀性能。
然而，η相在高温下容易析出，会导致合金的塑性和韧性下降，从而影响合金的整体性能。
因此，研究如何控制和优化η相的析出行为对于提高合金的性能至关重要。
首先，在镍基高温合金的设计中应重视元素选择和配比。
对于η相的抑制，合金中一些元素的添加可以起到关键作用。
例如，添加钼（Mo）和钴（Co）可以抑制η相的析出，提高合金的耐腐蚀性和高温稳定性。
同时，合理的元素配比也能够降低η相的生成倾向，有利于合金的塑性和韧性。
其次，研究合金的热处理工艺对η相的析出有着重要影响。
通过精确控制合金的固溶温度和固溶时间，可以有效限制η相的析出。
此外，选择合适的固溶温度和固溶时间，能够使得η相在粗大晶粒边界上析出，从而不影响合金的整体性能。
通过优化热处理工艺，可以实现合金η相的精准控制，提高材料的综合性能。
最后，镍基高温合金中η相的研究也需要结合材料表征与性能测试。
采用适当的金相显微镜、扫描电子显微镜等实验手段，可以观察和分析η相的形貌和分布规律。
同时，通过拉伸、压缩等力学性能测试，可以评估η相对合金整体力学性能的影响。
结合表征与性能测试的结果，可以全面了解η相对合金性能的影响机制。
综上所述，镍基高温合金中η相的研究对于优化合金的性能具有重要的指导意义。
通过合金的设计、热处理工艺的优化以及表征与性能测试的综合研究，我们能够更好地理解和控制η相的生成行为，从而实现合金性能的最大化。
这将为航空、航天、能源等领域的高温结构材料的开发和应用提供重要的参考依据。
航空发动机涡轮叶片失效分析
航空发动机涡轮叶片失效分析摘要：发动机涡轮叶片在成品检验和工厂试车后检验时，发现大量叶片榫头存在聚集性点状显示。
某型发动机大修时，荧光检查发现涡轮转子叶片榫齿有裂纹，为该系列发动机修理中首次发现采用扫描电镜观察和金相分析，研究了荧光显示部位缺陷的性质及其产生的原因。
结果表明荧光显示部位存在明显的显微疏松，摔头处有清晰的磨削痕迹，局部有微裂纹。
显微疏松在磨削应力作用下局部撕裂，磨削痕迹使显微疏松连接成片，从而导致聚集性荧光显示。
关键词：涡轮叶片；裂纹；失效涡轮发动机叶片作为航空发动机中最重要的关键部件之一，在很大程度上决定了发动机性能。
在高速运转的状态下，涡轮叶片需要同时承受着离心力、热应力、振动应力以及气动应力等各种复杂交变载荷，而且随着工作温度和载荷循环次数的变化，受力状态较为复杂，在高温下工作的涡轮叶片极有可能出现蠕变损伤和疲劳损伤，在工作中出现失效的概率较高。
目前，高温合金已被广泛地应用在制造航空发动机的热端部件上。
随着发动机性能的不断提高，对高温合金力学性能和承温能力的要求也越来越严格。
为了更好地适应需求，镍基高温合金经历了等轴晶、定向凝固柱状晶和单晶的发展历程。
柱状晶合金由于消除了与应力轴垂直的横向晶界，使其具有优异的高温力学性能，同时柱状晶叶片的制造成本一般小于单晶合金，因此大量三代、四代航空发动机选用定向柱晶涡轮叶片。
涡轮叶片主要采用熔模铸造成形，叶片榫齿作为叶片与涡轮盘的关键装配部位，其尺寸精度要求较高，需要对叶片榫齿部位进行磨削加工。
铸造高温合金多用于一些关键的高温承力部件，如叶片、盘等。
铸造镍基高温合金合金化元素高，加之叶片形状和结构的复杂性，夹杂是铸造高温合金中常见的一类冶金缺陷。
夹杂等内部冶金缺陷的存在，不仅会破坏基体连续性，而且会使零件性能出现很大的差异，尤其是一些超标的夹杂缺陷的存在，容易在缺陷处产生应力集中，导致裂纹萌生，最终有可能引发疲劳断裂。
尤其对于航空航天领域的叶片、盘一类的转动部件，一旦发生断裂，将造成灾难性的后果。
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定向凝固镍基高温合金叶片榫齿高效深切成型磨削
傅玉灿;张志伟;徐九华;赵正彩;平波;何坚;刘智武;王艳;余杰
【期刊名称】《南京航空航天大学学报》
【年(卷),期】2014(046)002
【摘 要】针对定向凝固镍基高温合金DZ125叶片榫齿,采用电镀成型CBN砂轮对
其进行了高效深切磨削(High efficiency deep grinding,HEDG)试验,对磨削比能
及工件表面完整性进行了分析.结果显示,在保持速比(vs/vw)不变时,提高磨削速度
vs可有效降低磨削比能,提高平均材料去除率.磨削比能表现出“尺寸效应”,其值最
终稳定在40～60 J/mm3之间;在相同的平均材料去除率下,磨削比能随着磨削深度
的增大而上升;在相同的单颗磨粒切厚下,磨削深度的差异对磨削比能的影响较小.对
试验中最大平均材料去除率下获得的工件表面质量进行分析发现,已加工工件表面
不同区域磨削纹理均很清晰,无皱叠及犁沟两侧翻起等现象;表层金相显微组织基本
无变化,未发现相变、撕裂及晶粒扭曲现象;工件表层加工硬化程度为7.7％～19％,
深度为40μm.结果显示了HEDG在高效磨削DZI25叶片榫齿中推广应用的潜力,
并为其实际生产中磨削参数的选择提供了参考.
【总页数】7页(P190-196)
【作 者】傅玉灿;张志伟;徐九华;赵正彩;平波;何坚;刘智武;王艳;余杰
【作者单位】南京航空航天大学机电学院,南京,210016;南京航空航天大学机电学
院,南京,210016;南京航空航天大学机电学院,南京,210016;南京航空航天大学机电
学院,南京,210016;南京航空航天大学机电学院,南京,210016;西安航空动力股份有
限公司,西安,710021;西安航空动力股份有限公司,西安,710021;西安航空动力股份
有限公司,西安,710021;西安航空动力股份有限公司,西安,710021
【正文语种】中 文
【中图分类】TG580
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1.叶片榫齿缓进给磨削工艺参数的优化 [J], 尚玉林
2.镍基高温合金叶片定向凝固过程宏微观数值模拟研究进展 [J], 许庆彦;夏鹄翔
3.刚玉砂轮缓进深切磨削K444镍基高温合金研究 [J], 刘爽;李敏;丁文锋;徐九华
4.定向凝固镍基高温合金的成分因素对涡轮叶片热裂的影响 [J], 杨政;田飞;郑志;
朱耀宵
5.镍基高温合金多叶片定向凝固过程数值模拟 [J], 于靖;许庆彦;李嘉荣;袁海龙;刘
世忠;柳百成
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