高温合金新型微波制备的SR-CT在线实验观测与微观机理研究

Superalloys are the key materials for the preparation of aerospace engine, which directly determines the level of development of aerospace industry. Microwave treatment is a novel and fast alloy preparation technique which can effectively improve the superalloys performance. In this project, a Synchrotron Radiation X-ray Computed Tomography (SR-CT) experimental system specially designed for the microwave preparation of alloy will be developed by the further improvement of the experimental device that has been established in the pre- fund projects.By using this system, the non-destructive and in-situ SR-CT experiment of alloys such as nickel base and titanium base alloy's microwave preparation process in the different electromagnetic field could be realized. Based on the SR-CT experimental images, the quantitative analysis of the microstructure evolution characteristics during microwave preparation can be carried out. The microstructure evolution mechanism of alloy microwave preparing process which controlled by the microwave electromagnetic parameters will be further studied by experiment-based numerical simulation.Then the relationship between the microwave electromagnetic field parameters and mechanical properties will be studied according to the assist of macroscopic mechanical experimental tests. Finally, the experimental and theoretical foundation of improving the alloy properties by selecting the reasonable microwave electromagnetic parameters will be reasearched.This project is of important scientific significance for the in-depth understanding and revealing the mechanism of alloy microwave preparation, and has important application value for optimizing the microwave preparation process and improving the performance of aerospace superalloys.

高温合金是制备航空航天发动机的核心材料，其性能直接决定了航空航天工业的发展水平。微波热处理是一种可有效改善高温合金性能的新型快速合金制备技术。本项目通过对前期基金项目中研制的实验装置进行进一步的改进和完善，建立可定量分析微波电场和磁场作用机制的SR-CT专用合金微波制备实验系统，运用该系统对镍基、钛基等高温合金在不同电磁场参数下的微波制备过程进行无损和实时的实验观测，通过实验结果定量分析其微波制备过程的微结构演化特征。在SR-CT实验的基础上结合数值模拟方法对微波电磁场调控的合金微观演化机理进行分析，并辅以宏观力学实验测试手段研究微波电磁场参数与合金力学性能之间的关系。最终为通过合理选取微波电磁场参数来提高合金性能提供实验和理论依据。本项目对深入了解和揭示合金微波制备机理有重要的科学意义，对通过优化微波制备工艺来提高航空航天高温合金的性能有着重要的应用价值。

由于高温、强腐蚀等极端恶劣的工作环境和复杂多变的受载荷情况，使高温合金成为航空航天领域中许多重要结构及发动机核心部件的首选材料。但由于高温合金制备过程复杂、服役环境严苛等原因，现有的合金还不能完全满足其在航空航天领域的应用需求。微波技术可以制备出高性能的合金材料，但其机理复杂且尚不明确，目前还不能实现完全可控的合金微波制备。利用SR-CT在线实验对合金微波制备过程微结构演化进行观测是了解合金微波制备技术机理的直接有效的方法。.项目主要研究内容包括：合金微波制备SR-CT专用实验系统的设计研制，利用该实验系统对合金微波制备过程中的微结构演化进行在线观测，在实验数据的基础上辅以数值模拟分析，进而建立反映微波-物质相互作用机制的模型，为了调控材料结构与性能提供参考。.截至项目结题，已经完成了合金微波制备SR-CT专用实验系统的搭建，可以实现0~1500W场形可控单模微波场、保护气氛条件下的合金微波制备，利用配套的八轴位移旋转系统可以实现0.165μm/像素的高分辨率SR-CT在线观测实验。为了提高SR-CT数据重建质量，进行了局部重建与稀疏投影重建的专用算法开发，高质量的重建图像为后续参数提取和分析提高基础。实验中观测到了诸多微波烧结所独有的烧结现象，例如Al-SiC混合体系中出现的颗粒被快速吞咽现象，Ti-SiO2体系中形成的特殊“壳-核”结构等。在实验结果的基础上，利用有限元等数值模拟方法对微波-物质相互作用机制进行了分析，对金属、陶瓷，以及金属-陶瓷混合体系微波烧结中的电磁场聚焦效应进行了讨论。通过实验数据与数值模拟的相互验证，提出了“局部电火花烧结”、“极化安培力”等模型。本项目所建立的实验系统使极端复杂环境下的在线SR-CT观测成为可能，已在上海光源成像线站获得应用。本项目的研究对于合金微波制备过程中微波-物质相互作用机制的研究，为制备航空航天领域急需的高性能合金材料提供实验支持和理论参考。