晶体取向对镍基单晶合金蠕变行为的影响

通过蠕变曲线测定及组织形貌观察,研究[001]、[011]取向镍基单晶合金在蠕变期间的组织演化及变形特征。结果表明:经完全热处理后,[001]和[011]取向合金中立方γ′相均以共格方式镶嵌在γ基体相中,并沿〈100〉取向规则排列。蠕变期间,[001]取向合金中γ′相沿垂直于应力轴方向形成N-型筏状组织,而[011]取向合金中γ′相沿[001]取向形成纤维状筏形组织,且在(100)晶面的筏状γ′相与施加应力轴方向呈45°角排列,其中,立方γ′相不同晶面中扩张晶格的法线方向是筏状γ′相的生长方向。在试验温度和应力范围内,与[011]取向合金相比,[001]取向合金具有较好的蠕变抗力。在高温蠕变后期,两取向合金中的筏状γ′相均发生粗化和扭折,其中,[001]取向合金在蠕变后期的变形机制是位错剪切γ′相,而[011]取向合金的变形特征主要是形变位错在基体通道中滑移。     

Structure Evolution and Creep Behavior for a Nickel-Base Single Crystal Alloy along [011] and [001] Orientations

研究980 ℃,200 MPa拉伸蠕变期间[001]和[011]取向镍基单晶合金中γ′相的形貌演化及蠕变特征,在相同拉伸条件下晶体取向的变化对合金的应变和应变速率产生明显影响。结果表明：沉淀相的定向粗化方向取决于合金的晶体取向,沿[001]取向拉伸,γ′相从最初的立方形态转化为与拉伸应力轴垂直的筏形;当拉伸轴平行于[011]取向时,γ′ 相沿[010] 和[100] 方向扩散生长,演化成与拉伸轴倾斜45o角的筏形。[011]取向合金的蠕变强度随其基体通道宽度的增大而快速下降,蠕变前期[001]与[011]取向的应变速率相近,蠕变后期合金表现出明显的蠕变各向异性     

DD9单晶高温合金拉伸性能各向异性

采用OM,SEM和TEM研究了[001],[011]和[111]取向第三代单晶高温合金DD9组织,在拉伸试验机上测试了3种取向760和1100℃下的拉伸性能.结果表明,在垂直于晶体生长方向的截面上,[001],[011]和[111]取向DD9合金铸态枝晶形貌、热处理态γ'相形状不同;随着温度的升高,合金的抗拉强度与屈服强度降低,各向异性减弱;除1100℃下[001]取向屈服强度略低于[011]取向,[001]取向DD9合金抗拉强度与屈服强度分别高于[011]和[111]取向合金;[001],[011]和[111]取向DD9合金760℃下拉伸断口呈类解理特征,1100℃下断口为韧窝断裂特征;760℃下DD9拉伸试样在基体通道内含有浓密的位错,[001]取向在γ'相内出现了层错,1100℃下[001]与[111]取向在基体通道内和γ'相内累积了大量浓密的位错网,[011]取向出现了大量的形变孪晶带.     

[011]取向镍基单晶合金高温蠕变期间γ′相定向粗化行为研究

研究了980 ℃, 200 MPa拉伸蠕变期间[011]取向镍基单晶高温合金中γ'相的演化方式.采用有限元方法计算了单晶合金在有/无外加载荷时Von Mises应力及弹性应变能密度在γ和γ'两相中的分布.结果表明:沿[011]取向施加拉伸应力时,与应力轴呈45°角基体通道(roof)的Von Mises应力远高于与应力轴平行的基体通道(gable)中的Von Mises应力,两通道中应变能密度的差异驱动γ'相形成元素从变形较大的通道向变形较小的通道扩散,而γ相形成元素反向扩散,导致γ'相沿[010]和[100]取向扩散生长,形成垂直于[001]方向且与应力轴倾斜成45°角的层片状筏形组织.     

一种镍基单晶高温合金持久各向异性行为

研究了一种镍基单晶高温合金DD499的[001],[011]和[111]3个晶体取向在典型应力条件下的持久性能。结果表明,持久寿命的取向依赖性与温度和应力有关。760℃,790MPa时,[001]取向的持久寿命明显高于[011]和[111]取向;1040℃,165MPa时,持久寿命由大到小顺序为[111]>[001]>[011],但不同取向的各向异性减弱。利用SEM观察持久断裂后的断口和组织结构表明,760℃,790MPa时,[001]取向试样的断裂特征为解理和准解理混合型断裂,[011]取向为单系滑移引起的剪切断裂,而[111]取向为多系滑移引起的剪切断裂;1040℃,165MPa时,3种取向都为微孔聚集型断裂。     

[111]取向镍基单晶合金的组织结构与蠕变行为

通过蠕变曲线的测定及微观组织形貌观察,研究[111]取向镍基单晶合金在高温低应力条件下的组织结构与蠕变行为。结果表明:经完全热处理后,[111]取向单晶合金的组织结构是立方γ′相以共格方式嵌镶在γ基体中,并沿100方向规则排列;在1 040~1 080℃、137~180 MPa的温度和应力范围内,该取向单晶合金表现出明显的温度和施加应力敏感性。蠕变期间,γ′相沿与应力轴呈一定角度形成筏状组织,蠕变后期在近断口区域筏状γ′相发生粗化和扭折。[111]取向单晶合金在蠕变期间的变形特征是位错在γ基体通道中运动和剪切筏状γ′相,由于形变量较大,较多位错切入筏状γ′相后使其形成亚晶结构,其中,蠕变后期大量位错切入筏状γ′相导致合金的蠕变抗力降低,是合金发生蠕变断裂的主要原因。     

DD15单晶高温合金的蠕变各向异性

在定向凝固炉中制备了［001］、［011］和［111］3种不同取向的DD15单晶高温合金，研究了980 ℃/300 MPa条件下不同取向的蠕变性能。为对比分析不同蠕变时间后的微观组织，蠕变50和100 h后停止试验。采用扫描电镜和透射电镜分析不同取向的合金组织。结果表明，不同取向合金在垂直于生长方向的截面上具有不同的组织特征，［001］取向γ′相为规则的正方形，［011］取向γ′相为矩形，［111］取向γ′相为多边形。合金在 980 ℃/300 MPa条件下的蠕变性能呈现明显的各向异性，蠕变寿命按［111］、［001］、［011］取向的顺序减小，应变量按［001］、［011］、［111］取向的顺序降低。3种取向合金蠕变曲线的共同特征为具有非常短的蠕变第1阶段，与［001］和［111］ 取向相比，［011］取向合金具有较短的蠕变第3阶段。不同取向合金蠕变后的γ′相具有明显不同的筏排化程度。［001］取向合金的γ′相筏排化速率大于［011］和［111］取向合金。蠕变断裂后，［001］或［111］取向合金的位错密度大于［011］取向合金。     

不同取向镍基单晶高温合金的蠕变参数及其与蠕变行为的关系研究

通过蠕变性能的测试和内摩擦应力的测定,研究了[001]、[011]和[111]取向镍基单晶高温合金分别沿[001]、[011]和[111]取向在高温/低应力条件下拉伸蠕变至稳态阶段的有效蠕变参数及其与蠕变性能和变形机制之间的关系。结果表明,随着温度的升高和外加应力的降低,3种取向合金的内摩擦应力降低。在相同条件下,3种取向合金的内摩擦应力顺序为σ_(i[001])σ_(i[111])σ_(i[011])。蠕变前后[011]和[111]取向合金内相对于应力轴倾斜连贯的"屋脊"型基体通道是2种合金具有较低内摩擦应力和较差蠕变抗力的重要原因。[001]取向合金在1040℃/137 MPa条件下的有效蠕变激活能为Q_(e[001])=281.32 kJ/mol,表明其稳态阶段的变形机制为元素扩散控制的位错攀移。[011]取向合金的有效蠕变激活能为Q_(e[011])=146.87 kJ/mol,其较低的数值与其内部开放的基体通道对位错滑移较小的阻碍作用有关;[111]取向合金较[011]取向合金较高的有效蠕变激活能Q_(e[111])=182.61 kJ/mol与其内部片层状的γ′相和位错的交滑移有关。     

镍基单晶合金蠕变过程中的组织演变

研究了镍基单晶合金Ni-9.0Cr-5.0W-5.5Al-4.5Co-1.7Ti在蠕变过程中的组织演变。结果表明,热处理后,[011]取向镍基单晶合金为白色的γ基体相,其中以共格方式镶嵌着黑色的立方γ′相。蠕变前,立方γ′相沿100与[011]方向呈45°角规则分布;蠕变后,γ′相沿[001]取向呈筏状分布。     

横向预压缩对[011]取向镍基单晶高温合金蠕变行为的影响

通过蠕变性能测试及组织形貌观察,研究了横向预压缩对[011]取向镍基单晶高温合金在1040℃,137 MPa条件下拉伸蠕变行为的影响.结果表明,[011]取向镍基单晶高温合金在1040℃,180 MPa条件下沿[100]方向预压缩38 h后形成了总体上平行于压应力轴方向的P型g'筏状组织.预压缩期间不同晶面不同的应变能密度分布及晶格应变是g'相筏形化的主要原因.位错在基体通道中的滑移是有/无预压缩[011]取向合金在稳态蠕变阶段主要的变形机制,其中在预压缩合金内存在较多的位错攀移运动.横向预压缩显著提高了[011]取向合金在1040℃,137 MPa条件下的蠕变抗力.合金内的"山墙型"基体通道的消除、稳态蠕变阶段较小的g基体宽度、筏状组织横向连接形成的微观瓶颈状g基体通道和"迷宫式"的组织以及较多数量滑移系的开动,均有助于通过限制位错的运动,提高预压缩合金的蠕变抗力.     

[011]取向镍基单晶合金蠕变特征

研究了一种[011]取向镍基单晶合金的拉伸蠕变特征及其变形期问的微观组织结构.结果表明:在750℃/680 MPa条件下,合金的初期蠕变和稳态蠕变速率相对较高,蠕变寿命较短.TEM观察显示,蠕变期间的变形特征是1/20<110>位错在基体中运动,发生反应形成1/3<112>超Shockley不全位错切入γ'相后产生层错;在870℃/500 MPa条件下,蠕变中期出现不均匀滑移带并有大量超不全位错剪切γ'相,使合金具有较高的应变速率;在980℃/200 MPa条件下,合金具有较长的蠕变寿命和较低的稳态蠕变速率.不同Burgers矢量的位错相遇发生反应形成界面位错网,位错网可以阻止位错切入γ'相,γ'相沿[010]方向扩散生长,逐渐转变成筏形组织.蠕变后期位错切入,γ'相,是合金变形的主要方式.     

一种[011]取向镍基单晶合金拉伸蠕变中的组织演化

在1040℃,137MPa下对[011]取向镍基单晶合金进行蠕变曲线测定,采用SEM观察热处理及蠕变后样品不同晶面的组织形貌,研究了[011]取向镍基单晶合金在蠕变期间的组织演化特征,并分析了组织演化的规律及影响因素。结果表明:取向差为4°的[011]取向镍基单晶合金经完全热处理后,组织是立方γ′相以共格方式嵌镶在γ基体相中,并沿<100>取向规则排列;在拉伸蠕变期间,合金中γ′相转变成与[001]取向平行的纤维状筏形组织。由于施加拉伸载荷,使立方γ′相中的(100)晶面及γ基体相承受挤压力,可排斥较大半径的Al、Ta原子,而在(001)晶面产生较大的晶格扩张应变,可诱捕较大半径的Al、Ta原子,因而促使γ′相沿[001]取向定向生长成为纤维状筏形组织。在外加应力作用下,不同晶面γ′/γ两相界面的应变能密度变化是促使发生元素扩散和γ′相定向粗化的驱动力。     

Effect of Orientation on Stress-Rupture Property and Related Deformation Microstructure of a Ni-Base Re-containing Single-Crystal Superalloy at 900 ℃

Stress-rupture properties of a Ni-base Re-containing single-crystal superalloy with three orientations have been tested under 900 ℃/445 MPa. An obvious anisotropy of stress-rupture property is attributed to orientation reliant deformation microstructure. The good strength in [001] orientation is attributed to the rapid multiplication of dislocations active in horizontal channels and later γ' cutting via dislocations pair coupled with anti-phase boundary. The microtwin formation largely limits the strength and plasticity as a result of the continuous shearing across γ/γ' microstructure by {111} 112 slip activated in [011] orientation. The property in [111] orientation results mainly from the lateral cross-slip movements of the screw dislocations within connected matrix channels as well as the precipitate shearing by coplanar dislocations. Microcracks all initially originate from the interdendritic micropores in three orientations. The critical temperature of stress-rupture anisotropy could be increased by a high level of refractory solutes especially Re.     

Creep deformation modelling of superalloy single crystals

A model of creep deformation in arbitrarily oriented nickel-base superalloy single crystals has been developed. This model extends the preceding model of the present authors [Svoboda, J. and Lukáš, P., Acta mater., 1998, 46, 3421] covering the case of creep in 〈001〉 oriented crystals. The calculated creep curves were compared with the creep curves of single crystals CMSX-4 of the orientations 〈001〉, 〈011〉 and 〈111〉 measured at 750°C; a fair agreement was found.     

Anisotropic Stress Rupture Properties of a 3rd-Generation Nickel-Based Single-Crystal Superalloy at 1100℃/150 MPa

The influence of orientation on the stress rupture behaviors of a 3 rd-generation nickel-based single-crystal superalloy was investigated at 1100℃/150 MPa.It is found that the stress rupture anisotropy is shown at 1100℃,but not so obvious compared with that at intermediate temperatures.The [001] specimens display the longest rupture life,[111] specimens show the shortest rupture life,and [011] specimens exhibit the intermediate life.Detailed observations show that the final fracture is caused by crack initiation and propagation,and the anisotropy of three oriented specimens is related to the fracture modes,γ/γ' microstructures,interfacial dislocation networks and cutting mechanisms in y' phase.For [001] specimens,N-type rafted structures are formed which can well hinder the slip and climb of dislocations.Besides,the regular interfacial dislocation networks can prevent dislocations from cutting into y' phase,leading to the improvement of the creep resistance.For [011] specimens,±45°rafted structures and irregular networks result in less strain hardening.For [111] specimens,a large number of crack propagation paths and inhomogeneous deformations caused by irregular rafted structures deteriorate the property and result in the shortest life.Furthermore,a[100] superdislocations with low mobility are widely formed in[001] and [011] specimens which suggests the low creep strain rate during steady creep stage,whereas superdislocations in[111] specimens possess high mobility,which indicates the high strain rate and corresponding poor stress rupture property.     

Al-Cu-Mg-Sc合金组织与性能的各向异性

采用显微组织分析、室温拉伸性能测试、XRD分析等方法研究了不同状态Al-Cu-Mg-Sc合金板材在不同取向条件下的显微组织和力学性能。研究结果表明:终轧态及终时效态合金板材在与轧制方向呈0°方向上的强度均比30°、45°、60°和90°方向上的强度高,且伸长率也高。终时效态合金板材的各向异性指数I_PA值较终轧态的小,性能较为均匀,RD方向(0°)的R_m、R_p0.2和A分别为622.85 MPa、529.38 MPa和13.33 %,综合性能最优。两种状态下第二相析出情况的差异影响合金板材平面各向异性。Schmid因子分析表明,终轧态含有(110)[111]和(001)[310]织构组分,而终时效态含有(110)[111]、(001)[310]和(011)[100]织构组分。     

Influence of Pre-Compressive Creep on Internal Friction Stress and Creep Parameters of Nickel-Base Single Crystal Superalloys

By means of pre-compressive creep treatment, the cubic γ′ phase in a nickel base single crystal superalloy is transformed into the P-type rafted structure. And the influence of the pre-compressive creep on the internal friction stress and creep lifetimes of the superalloy are investigated by means of the measurement of the creep curves and microstructure observation. Results show that, compared to the P-type structure alloy, the full heat treated state alloy displays a bigger internal friction stress value ...     

单晶镍基合金在拉伸蠕变期间的组织演化与分析

通过[001]取向镍基单晶合金拉伸蠕变期间的组织形貌观察,采用应力应变有限元方法计算出立方γ/γ′两相共格界面的vonMises应力分布,研究了合金在蠕变期间γ′相的定向粗化规律。结果表明,施加拉应力可改变立方γ/γ′两相的应力分布,使不同晶面发生晶格收缩与扩张应变,其中,(001)晶面产生晶格收缩可排斥较大半径的Al、Ti原子,(100)和(010)晶面沿平行于应力轴方向产生晶格扩张应变,可诱捕较大半径的Al、Ti原子,是使其γ′相沿扩张晶格的法线定向生长成为类似筛网层状结构的组织演化规律。并进一步提出蠕变期间发生元素扩散和γ′相定向生长的驱动力。