高温合金半固态组织演变规律及触变成形机制研究

In this project, research background involves mainly fabrication and thxoforming of high-quality superalloy semisolid billet. Fine and highly spheroidal semisolid billet of superalloy is prepared by using the plastic deformation advantage of wrought superalloy and the microstructure advantage of cast superalloy with equiaxed grains. On this basis, the fabricated semisolid billet of superalloy is thixoformed in order to realize near net shape of superalloy component with enhanced mechanical properties. The main research contents include: 1) microstructure evolution of semisolid billet of nickel base wrought superalloy fabricated by recrystallisation and partial remelting. 2) microstructure evolution of semisolid billet of cast superalloy with equiaxed grains fabricated by semisolid isothermal treatment. 3) rheological behaviour and thixotropy of semisolid billet of superally during semisolid isothermal treatment process. 4) design and manufacturing of die devices for semisolid processing of superalloy. 5) mechanisms of thixoforming of superalloy. 6) quality control of superalloy semisolid components during thixoforming. Through project research, a basic theory on fabricating and thixoforming superalloy semisolid billet will be established. It will provide a techinical support for near net shape of superalloy compoents in the fields such as aerospace and nuclear industries.

以高质量高温合金半固态坯料的制备及触变成形为研究背景，利用镍基变形高温合金的塑性变形优势及等轴晶铸造高温合金的微观组织优势，实现晶粒细小、球化程度高的高质量高温合金半固态坯料的制备。在此基础上，利用制备的高温合金半固态坯料进行半固态触变成形，实现高性能高温合金结构件的近净成形。主要研究：1）再结晶-部分熔化法制备镍基变形高温合金半固态坯料等温过程中的微观组织演变规律；2）半固态等温处理法制备的等轴晶铸造高温合金半固态坯料的微观组织演变规律；3）高温合金半固态坯料等温过程中流变学行为及触变性能；4）高温合金半固态触变成形专用工装模具的设计与制造；5）高温合金半固态触变成形机制；6）高温合金半固态触变成形过程的质量控制。通过项目研究，建立高温合金半固态坯料制备及触变成形基础理论，为航空、航天和核工业等领域高温合金结构件的近净成形提供技术支持。

为了适应国家“节能、减排、增效、降耗”的政策方针，结构件的成形制造技术正向着精密、近净成形方向飞速发展。半固态加工结合了传统铸造和锻压工艺的优点，能成形出形状复杂且性能优异的零件，在金属成形方面有着很大的发展前景，但国内外有关镍基高温合金的半固态研究几乎没有。本课题选择镍基高温合金作为半固态加工的材料，有利于开拓镍基高温合金新的成形方法。本项目研究了GH4037和GH3536两种镍基高温合金的高温氧化行为，对两种合金在半固态等温处理过程中的组织演变规律进行了探索，利用高温压缩实验得出了合金变形行为，并对半固态触变成形进行了过程数值模拟，最后对半固态坯料进行了半固态触变成形实验。通过项目研究可知，镍基高温合金在半固态温度下氧化非常严重，合金在半固态坯料的制备过程中需要进行抗氧化保护处理；对变形镍基高温合金GH3536和GH4037进行了半固态等温处理可以获得近球状均匀的金相组织；对GH4037合金进行了半固态触变成形实验，得到了表面质量良好、力学性能优异的成形件，验证了半固态加工在镍基高温合金领域的可行性，同时得出了最佳工艺参数：加热温度为1380℃、保温时间为30min、保压时间为30s。本项目的研究结果为镍基高温合金半固态坯料的制备以及半固态触变成形提供了重要的技术支撑，不仅可以拓宽半固态加工技术在材料领域的应用范围，而且对于开拓除传统铸造和锻造技术之外成形高温合金产品的新成形技术也具有非常重要的意义。通过半固态加工技术在镍基高温合金方面的研究，为航空、航天、交通运输领域镍基高温合金结构件的生产制造提供强有力的技术支持。通过项目研究，已发表和录用论文5篇，其中SCI收录3篇（影响因子分别为4.175、3.220和2.338），EI收录1篇；获得国家发明专利3项（2项已授权）；培养研究生3名（博士生1名，硕士生2名）；参与组织并参加国际学术会议2次，国内学术会议5次，担任国际会议分会主席1次，担任国内学术会议大会主持人2次。