镍基单晶铸造气膜孔低周疲劳断裂特征研究

气膜孔结构作为一种重要的热防护技术广泛应用于涡轮叶片中。气膜孔的存在会引入制造缺陷、应力集中等不利因素,成为疲劳失效的主要诱因之一。本研究开展不同温度下镍基单晶铸造气膜孔低周疲劳试验,分析熔模铸造直接成型的气膜孔疲劳断裂特征。结果表明:不同温度下疲劳寿命取决于应力幅值;随温度降低,疲劳断裂路径由Mode-I型转换为晶体学平面断裂,断口形貌呈现出从类解理至韧性断裂特征。气膜孔周围微结构分析表明,在1000 ℃及循环应力作用下,氧化膜发生破裂形成氧化裂纹;在700 ℃条件下,疲劳裂纹形核主要由滑移累积导致;在850 ℃条件下,疲劳损伤由氧化损伤和滑移累积共同作用。晶体塑性有限元分析揭示铸造气膜孔疲劳断裂特征主要受气膜孔附近应力分布的影响。     

镍基单晶合金复杂应力状态低周疲劳寿命预测

根据损伤应变能释放率的定义表达式，将各向同性材料应力二三轴性因子拓展到正交异性材料，定义了含有3个弹性常数的镍基单晶应力三轴性因子。用它修正Mises应变范围作为疲劳损伤参量，可以显著消除晶体取向和多轴载荷对疲劳寿命的影响。用损伤应变能释放率作为热力学广义力描述正交异性材料的疲劳损伤过程，引入取向函数和损伤驱动力循环特征参数反映晶体各向异性对疲劳损伤的非线性影响以及循环载荷的交变特性，提出了单晶合金低周疲劳损伤模型。利用CMSX-2镍基单晶合金薄壁圆筒试样的拉一扭循环载荷低周疲劳试验数据和DD3镍基单晶合金缺口试样的低周疲劳试验数据，运用多元线性回归分析方法拟合模型的材料常数，试验所得数据分别落在2．5倍和2．0倍偏差分布带内。     

复杂应力状态下镍基单晶合金低周疲劳寿命预测模型

镍基单晶合金的低周疲劳（ＬＣＦ）晶体取向相关性和其弹塑性的晶体取向相关性有密切关系,基于所建晶体取向各向异性弹塑性晶体滑移模型,本文推导了复杂应力状态下镍基单晶合金低周疲劳寿命预测模型,结论为ＬＣＦ寿命与修正的滑移应变呈指数关系。在详细分析薄壁圆筒试样受拉－扭载荷下应力应变分布规律的基础上,利用不同拉－扭载茶下的低周疲劳寿命数据,对本文所提模型进行了成功的考核。     

镍基铸造高温合金低周疲劳研究进展

镍基铸造高温合金具有优异的高温性能,广泛应用于航空发动机涡轮叶片等热端部件之中。航空发动机涡轮叶片是发动机中工作环境最为恶劣、结构最为复杂的零件之一,在发动机运行过程中所产生的高温交变应力的作用下,合金承受着严重的应力、应变循环损伤,裂纹往往在合金中的薄弱区域形成并扩展,使合金以低周疲劳的模式失效,严重影响了合金的服役寿命,因此对合金低周疲劳性能的研究尤为重要。本文详细阐述了影响镍基铸造高温合金低周疲劳性能的表面缺陷、内部组织及缺陷、晶体取向和低周疲劳试验条件等四方面因素,从位错运动方式和形态变化特点出发,研究了不同温度下镍基铸造合金的变形机制,最后总结了合金低周疲劳寿命预测的应力应变准则、能量准则、损伤累积准则及临界面和临界距离准则。     

镍基单晶高温合金530 ℃低周疲劳性能及断裂机制

对镍基单晶高温合金在530℃的低周疲劳断口及断裂损伤机制进行研究。结果表明：在530℃时,单晶高温合金低周疲劳裂纹一般萌生于试样表面、亚表面或内部。亚表面存在铸造缺陷时裂纹从缺陷处起源。在大应变幅（>0.85%）条件下,合金在疲劳循环过程中表现出明显的循环硬化行为,应变幅低于0.85%时循环应力响应曲线基本趋于稳定。镍基单晶高温合金主要通过滑移产生变形,在530℃合金主要通过八面体滑移机制进行断裂,主滑移系为{111}<110>。分析断口特征可知,断口在源区附近未见明显塑性变形,稳定扩展区可见疲劳条带特征,快速扩展区在滑移台阶处存在大量交叉滑移带。通过电子背散射衍射分析发现,不同滑移面交界处的断口表面存在明显塑性变形,靠近断口表面的γ基体及立方γ’相变形严重。该温度下疲劳断口表面未见明显氧化特征。     

DD6单晶高温合金低周疲劳断裂特征的研究

对DD6单晶高温合金在高温低周（980 ℃、760 ℃）及疲劳/蠕变交互作用的断裂特征进行了研究。结果表明：DD6单晶高温合金高温低周疲劳断口往往呈多源开裂特征,裂纹萌生于试样的表面或亚表面,疲劳裂纹在刚萌生时沿着一定的小平面进行扩展,扩展区主要由垂直于裂纹扩展方向的疲劳条带和河流花样组成,瞬断区为类解理台阶形貌,裂纹扩展初期断口基本与主应力方向垂直,随着疲劳裂纹的扩展,断口呈现与主应力约成45°的平面特征;低周疲劳/蠕变交互作用的断裂特征与相同应变条件下低周疲劳断口总体形貌相似,但也一些不同之处,如断口整体氧化严重、疲劳扩展区面积明显减小。     

M38镍基高温合金高温低周疲劳性能及断裂机制

对铸造镍基高温合金M38在900 ℃下的低周疲劳行为进行了研究.采取轴向总应变控制,应变比为-1,应变速率为1×10-2 s-1.实验结果表明:M38在900 ℃下具有与IN738LC接近的疲劳性能.在高应变幅时,疲劳裂纹主要萌生在表面碳化物等应力集中处;在低应变幅时,氧化对裂纹的萌生起重要作用,疲劳裂纹主要萌生于与试样表面相连的易氧化的富Cr晶界处和富Ti的碳化物处.在所有应变幅下,疲劳裂纹均沿垂直应力轴的方向穿晶扩展.     

取向偏离度对镍基单晶高温合金DD10低周疲劳行为的影响

本文研究了特定试验条件下,镍基单晶DD10取向偏离[001]的程度对其低周疲劳行为的影响。结果表明：取向偏离度对DD10合金的低周疲劳行为影响明显。疲劳寿命随取向偏离度的增加而明显降低,在同等偏离度下,晶体取向靠近[001]-[011]的合金低周寿命优于取向靠近[001]-[11]的合金;分析发现：不同取向偏离度合金DD10低周疲劳寿命的差异源于其每循环周次的可累计塑性变形的差异。另一方面,取向偏离度对疲劳总应力幅和塑性应变幅的影响却截然相反,但对疲劳裂纹萌生和扩展方式影响不大。     

DD6单晶带气膜孔平板试件高周疲劳性能研究

利用电液束、激光、电火花三种不同制孔工艺制备了DD6镍基单晶高温合金气膜孔平板试验件,在980℃下对试件的高周疲劳性能进行了测试,并对疲劳极限与断口形貌进行了分析比较.结果表明:不同制孔工艺对试件的高周疲劳性能影响显著,电液束制孔工艺的疲劳极限较高速电火花制孔、毫秒激光制孔工艺提升约5.3％和7.1％.不同制孔工艺的试...     

铸造镍基高温合金M963的高温低周疲劳行为

对铸造镍基高温合金M963在900℃下的低周疲劳行为进行了研究,实验采取轴向总应变控制,应变速率分别为4×10-3 s-1和1×10-4 s-1.结果表明:在相同的总应变幅下,合金在低应变速率下具有较低的寿命,这归因于与时间相关的机制如氧化的损伤作用.疲劳断面以及纵向剖面的SEM分析表明,疲劳裂纹通常萌生于试样表面或亚表面的碳化物或铸造缺陷处.而当应变速率较低时,某些裂纹会在试样表面的枝晶间区域萌生.两种应变速率下疲劳裂纹开裂均呈穿晶形式.     

喷丸强化DD6单晶合金低周疲劳寿命预测

目的 实现喷丸强化后DD6单晶合金低周疲劳寿命的准确预测。方法 开展了喷丸强化后DD6圆棒件低周疲劳试验,分析了喷丸强化对单晶合金疲劳寿命的影响机理。在此基础上,建立了各向异性材料喷丸强化工艺有限元模型,获取了喷丸强化所致残余应力分布与粗糙度。基于连续介质损伤力学,考虑残余应力与粗糙度对低周疲劳寿命的影响,建立了喷丸强化DD6单晶合金低周疲劳寿命预测模型。结果 喷丸强化后不同载荷下DD6单晶合金的低周疲劳寿命均得到提高,最大可提高108%;高温环境下残余应力松弛导致强化效果与试验温度成反比。喷丸强化工艺有限元模拟得到残余应力分布在试件表面深约130 μm的区域,表层残余应力为–380.16 MPa,应力集中系数为1.193,残余应力影响下的八面体Schmid应力幅值降低了10%左右。DD6低周疲劳试验结果在预测结果的2倍分散带以内。结论 喷丸强化可以有效提高DD6低周疲劳寿命,对低周疲劳寿命的影响机制为残余应力的引入与粗糙度的改变。所建立的喷丸强化单晶合金DD6低周疲劳寿命预测模型具有较好的准确性。     

DD6单晶冷却涡轮叶片模拟试样拉伸性能

研究了[001]取向的冷却叶片模拟试样的拉伸性能与断口。分别从温度、薄壁厚度以及气膜孔3个方面分析对其力学性能的影响。结果表明:薄壁圆管试样在过峰值温度后,抗拉强度与屈服强度随温度上升而降低,延伸率与截面收缩率则不断递增;2mm比1.5mm薄壁试样的抗拉强度、屈服强度、延伸率及截面收缩率都要大;带气膜孔试样存在应力应变集中,导致其抗拉强度与屈服强度,延伸率与截面收缩率都要比不带气膜孔试样的低。对试样断口进行SEM分析,结果表明在中温和高温条件下,断口呈现不同的断裂特点,850℃的试样断面由光滑斜平面组成,而980℃的断口则以韧窝断裂为主。     

超温对DD6单晶高温合金组织及高周疲劳性能影响

为了研究超温对DD6单晶高温合金组织及高周疲劳性能的影响,对标准热处理的DD6合金进行1200℃/1 h、1200℃/50 MPa/1 h 2种条件高温短时热处理以模拟超温过程。采用SEM观察标准热处理、1200℃/1 h、1200℃/50 MPa/1h条件下的合金组织,在旋转弯曲疲劳试验机上测试了上述3种条件合金的高周疲劳性能。结果表明:1200℃/1 h的超温使DD6合金的γ'相尺寸稍微增大,立方化及均匀化程度明显降低,基体通道区域析出少量细小二次γ'相,γ/γ'相界面出现锯齿化现象;1200℃/50 MPa/1 h的超温使DD6合金γ'相尺寸增大,立方化及均化化程度明显降低,基体通道显著变宽,基体通道区域析出大量细小二次γ'相,γ'相产生了轻微的定向粗化;1200℃/1 h的超温使合金高周疲劳性能降低,1200℃/50 MPa/1 h的超温的合金高周疲劳性能与标准热处理合金的相当,合金800℃条件下的疲劳断口呈类解离断裂特征。     

DD6单晶合金气膜孔薄壁平板高温持久性能

在980℃/300 MPa条件下,对带气膜孔与无气膜孔的DD6单晶合金薄壁平板试样进行高温持久试验研究与有限元对比计算。结果表明：在相同名义应力条件下,带孔试样的高温持久寿命比无孔试样的高温持久寿命低,分别为69、90 h,气膜孔的存在破坏了试样的几何连续性,导致气膜孔周围应力集中为主要因素。通过断口宏、微观观察发现,无试样的断裂方式为微孔聚集型断裂,断口上分布着大量方形小平面特征;而带孔试样由于气膜孔改变了试样中的应力分布,在气膜孔附近产生了应力集中,当裂纹扩展至试样边缘,试样被瞬间剪断。基于晶体塑性理论建立了蠕变模型,将其编入ABAQUS的UMAT子程序中对带气膜孔和无气膜孔薄壁平板试样分别进行模拟分析,模拟结果显示与试样的断裂位置及形貌吻合,在工程应用条件下该模型是能用于薄壁平板的高温持久断裂寿命的预测。     

DD6单晶高温合金叶片小角度晶界组织

采用扫描电镜和透射电镜研究了DD6单晶高温合金叶片小角度晶界的铸态组织、热处理组织和长期时效组织.铸态小角度晶界组织中,粗大γ′相和块状共晶沿晶界析出;热处理小角度晶界组织中,晶界上有一薄层γ相,晶界两侧的γ′相立方化较好,但由于小角度晶界的存在,γ′立方体不完整;1070℃长期时效500 h小角度晶界组织中,晶界上析出粒状碳化物,无TCP相析出,DD6单晶高温合金小角度晶界组织有很好的稳定性.     

Effect of Section Size on the Microstructure of Thin-walled Specimen of DD6 Single Crystal Superalloy

制备不同截面尺寸的单晶高温合金精铸薄壁试样,研究了截面尺寸对DD6单晶高温合金精铸薄壁试样组织的影响规律。结果表明：随着截面尺寸的减小,铸态单晶高温合金精铸薄壁试样一次枝晶间距和共晶含量出现先减小后增大的现象,热处理态单晶高温合金精铸薄壁试样枝晶干γ’相平均尺寸逐渐减小。截面尺寸的适当减小有利于减轻枝晶元素偏析程度,但当截面尺寸减小到0.5 mm时,枝晶元素偏析程度反而增大