夹杂物对FGH96合金低周疲劳寿命的影响及寿命预测

本文通过人工植入Al2O3 和SiO2夹杂物的方法,制备含不同尺寸夹杂物的FGH96合金低周疲劳试样,在650℃下进行不同应变幅的低周疲劳试验,对试样断口进行观察、统计分析,定量分析了夹杂物的尺寸、位置、种类和外加载荷应变幅对低周疲劳寿命的影响,建立了夹杂物特性与低周疲劳寿命的关系。结果表明,应变幅为0.8%,疲劳源区以内部夹杂物为主;当应变幅为0.9%时,疲劳源区为表面夹杂物和不含夹杂物的试样表面的占比增大;当应变幅为1.0%和1.2%时,疲劳源区全部为不含夹杂物试样表面;随应变幅自0.8%增至1.2%,源区位置逐渐由内部夹杂物向表面夹杂物、不含夹杂物的试样表面转移。在应变幅为0.8%时,建立了内部和表面夹杂物面积与低周疲劳寿命的定量关系式,研究了夹杂物种类对低周疲劳寿命的影响,在一定夹杂物尺寸范围内,SiO2夹杂物比Al2O3夹杂物对低周疲劳寿命危害更大,其原因在于SiO2夹杂物周围由于γ’相贫化区的存在而产生的粗大晶粒降低了合金的低周疲劳寿命,同时,研究了夹杂物距试样表面距离与低周疲劳寿命的关系。     

夹杂物尺寸及分布对FGH97高温合金低周疲劳性能的影响

利用扫描电子显微镜、能谱仪、金相显微镜、低周疲劳试验机研究了镍基粉末高温合金FGH97材料650℃低周疲劳性能与断口夹杂物尺寸、面积及分布的关系。结果表明:FGH97热等静压材料低周疲劳裂纹源主要由非金属夹杂物引起。非金属夹杂物尺寸小于临界值(约80μm)时,夹杂物尺寸和位置对650℃最大应力980 MPa低周疲劳寿命无明显影响,疲劳寿命均值达到190 992周次。当夹杂物尺寸超过临界值(约80μm)时,则夹杂物尺寸越大,越靠近表面,低周疲劳寿命越低。因此,控制夹杂物尺寸是提高FGH97高温合金低周疲劳寿命的有效方法。     

颗粒间断裂在P/M镍基高温合金低周疲劳断口上的特征

粉末冶金(P/M)合金中由于原始颗粒边界(PPB)的存在,在力学性能试样断口上呈现颗粒间断裂。通过SEM、TEM、AES等手段对采用等离子旋转电极(PREP)制粉+直接热等静压(HIP)成形工艺的一种P/M镍基高温合金低周疲劳(LCF)断口上颗粒间断裂的形貌和类型进行了表征和分析,讨论了PPB的起因及其与疲劳裂纹在颗粒间萌生、扩展断裂机制的关系和颗粒间断裂对疲劳寿命的影响。结果表明:PREP+HIP工艺成形的镍基合金中的PPB由多种综合因素造成;PPB降低了合金的断裂韧性,直接影响颗粒间断裂程度;在LCF断口上,单颗粒成为裂纹源的占颗粒间断裂断口总数的67%,多颗粒裂纹源占17%,其他占16%;颗粒间断裂在LCF断口上的分布表征分为4级;颗粒间断裂越严重,对合金疲劳寿命影响越大。     

基于损伤力学的含夹杂粉末高温合金FGH96低周裂纹萌生寿命预测

研究FGH96粉末高温合金中夹杂物对低周疲劳寿命的影响,提出基于损伤力学理论的低周裂纹萌生寿命预测模型,在建立损伤演化方程后提出损伤表征参数.对含夹杂物和不含夹杂物的粉末高温合金试样在530℃和600℃下进行疲劳试验,并对具有椭圆形、半椭圆形、多边形和条形表面/亚表面夹杂物的试样进行模型验证,然后通过有限元模拟进行应力...     

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。     

1100MPa级高强钢的低周疲劳行为

研究了在对称应变控制条件下1100 MPa级调质态高强钢的低周疲劳性能,借助OM、SEM、TEM等手段对高强钢在低周疲劳载荷下的微观组织、断口形貌、裂纹扩展特性、夹杂物形态等进行了研究。结果表明,调质态1100 MPa高强钢具有优异的低周疲劳性能,主要有2个原因:一是由于夹杂物形态为近圆形,直径为2～5μm,低于夹杂物引起疲劳裂纹萌生的临界尺寸,裂纹萌生于试样表面,提高了疲劳裂纹萌生寿命;二是原奥氏体晶界、马氏体板条包/束界、夹杂物/孔洞都会诱导裂纹偏转,使裂纹走向曲折,降低了裂纹扩展速率,提高了疲劳裂纹扩展寿命。     

CMSX-4单晶高温合金在不同温度下的低周疲劳行为

研究了单晶高温合金CMSX-4在中温760 ℃和高温950 ℃下的低周疲劳行为。结果表明：在760 ℃下合金具有较长的疲劳寿命和较高的疲劳强度,断裂后断面高度差大并与应力轴方向呈45°角,裂纹沿着{111}面扩展;而在950 ℃下合金具有较短的疲劳寿命和较低的疲劳强度,断面与应力轴垂直,裂纹沿着{001}面扩展。低周疲劳断口的扫描电镜结果表明, 760 ℃试样表面的微孔是主要的疲劳源,而950 ℃试样表面的氧化层是主要的疲劳源且呈现多源开裂。低周疲劳断口的透射电镜结果表明,中温760 ℃下位错具有的平面滑移和波状滑移的变形机制,是由位错的平面滑移向波状滑移转变的过程;而高温950 ℃下位错主要通过交滑移和攀移进行运动。     

基于损伤力学的粉末高温合金FGH96疲劳寿命预测

以粉末高温合金FGH96为研究对象,提出采用损伤力学理论来建立寿命预测模型。对于不同夹杂物特征,粉末高温合金裂纹萌生有不同的表征参量,其数值变化为裂纹萌生的寿命预测提供思路。对粉末高温合金寿命预测的研究现状进行分析,然后利用损伤演变方程建立寿命预测模型;使用有限元软件（ANSYS）分别模拟夹杂物的不同位置、不同尺寸以及不同形状对裂纹萌生的影响,得到相应的损伤参量分布云图。将得到的损伤参量代入计算模型,得到疲劳寿命计算结果,与实验结果进行对比,证明疲劳寿命预测模型的有效性。结果表明:损伤参量Y能较好地表征材料的低周疲劳损伤;在不同的实验条件（温度、应变范围和应变比）下,所建立的粉末合金FGH96疲劳寿命预测模型都能较好地反映夹杂物对粉末高温合金疲劳寿命的影响。     

夹杂物对FGH96合金低周疲劳寿命的影响

通过人工植入夹杂物的方法,制备含不同尺寸Al_2O_3和SiO_2夹杂物的FGH96合金低周疲劳试样,在650℃下进行不同应变幅的低周疲劳试验,对试样断口进行观察、统计分析,定量研究了夹杂物的尺寸、位置、种类和外加载荷应变幅对低周疲劳寿命的影响,建立了低周疲劳寿命与夹杂物特性的关系。结果表明,应变幅为0.8%时,疲劳源区以内部夹杂物为主;当应变幅为0.9%时,疲劳源区内部夹杂物占比降低,而表面夹杂物和不含夹杂物的试样表面的占比增大;当应变幅为1.0%和1.2%时,疲劳源区全部为不含夹杂物试样表面;随应变幅自0.8%增至1.2%,源区位置逐渐由内部夹杂物向表面夹杂物、不含夹杂物的试样表面转移。在较低应变幅下,随夹杂物面积的增大,低周疲劳寿命降低。在一定夹杂物尺寸范围内,SiO_2夹杂物比Al_2O_3夹杂物对低周疲劳寿命危害更大,其原因在于SiO_2夹杂物周围由于γ'相贫化区的存在而产生的粗大晶粒降低了合金的低周疲劳寿命。当不考虑夹杂物面积时,夹杂物距试样表面距离对低周疲劳寿命的影响无明显规律;当夹杂物面积相同时,低周疲劳寿命随夹杂物距试样表面距离的增大而线性增大。其影响相对较小。     

定向凝固DZ4合金的低周疲劳与断裂行为研究

对定向凝固DZ4合金760℃和800℃下的低周疲劳行为进行了研究,并结合断口观察,对其疲劳裂纹的萌生与扩展进行了分析.结果表明,DZ4合金760℃和800℃下的低周疲劳属应力疲劳,其损伤以弹性损伤为主,弹性损伤与疲劳寿命具有很好的相关性.定向凝固DZ4合金高寿命低周疲劳裂纹易于萌生于试样内部或亚表面的柱状晶界.其疲劳裂纹的稳定扩展也较难形成典型的疲劳条带.     

镍基粉末高温合金FGH4096中γ′相完全溶解温度的测定

通过JmatPro软件测试了镍基粉末高温合金FGH4096平衡相图,并根据γ′相平衡态溶解温度采用OM和SEM等方法研究了不同固溶温度下的γ′相溶解结果。结果表明,热力学软件JmatPro计算的FGH4096合金中的γ′相在930~1100 ℃大量溶解,完全溶解温度在1100 ℃以上。从1110 ℃到1130 ℃晶粒尺寸从16.1 μm长大至18.2 μm,变化不明显,从1130 ℃到1160 ℃,晶粒迅速从18.2 μm长大到28.6 μm。镍基粉末高温合金FGH4096中的γ′相起到强化作用的同时,对晶粒长大具有阻碍作用,随着固溶温度从1110 ℃升至1130 ℃,γ′相含量减少,其对晶粒的钉扎作用降低,导致晶粒有所长大。1130 ℃以上时,γ′相完全溶解,γ′相钉扎作用消失,晶粒迅速长大。最终确定FGH4096合金中γ′相实际的完全溶解温度为1130~1140 ℃。     

夹杂物对FGH95粉末高温合金切削加工力学特性的影响

FGH95粉末高温合金作为一种高强度、高耐热性的镍基高温合金,常用在制造先进航空发动机的压气机盘、涡轮盘、涡轮轴以及涡轮盘挡板等高温承力转动部件,是一种典型的难加工材料.FGH95粉末高温合金中非金属夹杂物的成分、含量、分类、形貌对粉末高温合金材料性能有着重要的影响.从切削加工角度,采用力学分析和显微镜观察的方法研究了FGH95粉末高温合金中非金属夹杂物对切削加工刀具的影响,分析了切削加工时非金属夹杂物的力学特性,提出了夹杂物在切削加工过程中的变形机理.     

镍基粉末冶金FGH95高温合金的拉伸及低周疲劳性能研究

在420～650℃的温度范围内,研究了PM FGH95高温合金在应变率0.0001～0.01 s-1范围内的拉伸性能及在不同应力比R=-1及R=0下的低周疲劳性能.拉伸试验结果表明:在此温度范围内,应变率对弹性模量、拉伸屈服强度及塑性模量的影响可以忽略不计;并且应变率自0.0001 s-1增大至0.01 s-1时,弹性模量、拉伸屈服强度及塑性模量受温度的影响也不明显.PM FGH95合金受材料微结构的影响很大,材料含有的微缺陷对其力学性能有非常不利的影响.LCF试验结果表明:PM FGH95合金是循环硬化材料.当应力比R=-1时,温度对LCF寿命的影响很小;但在应力比R=0时,LCF寿命受温度的影响很大,且随着温度的增加材料的低周疲劳寿命减小.SEM断口扫描发现,断裂表面有很多的解理面,但没有疲劳条带,且此断裂模式下没有明显的塑性变形,所以FGH95合金的低周疲劳寿命几乎是由裂纹萌生阶段决定的.     

N元素对FGH96高温合金析出相的影响

基于Thermo-Calc热力学计算软件及相应的Ni基数据库,计算了含N与不含N时FGH96高温合金中可能的平衡析出相,并用Scheil-Gulliver凝固模型对两种合金进行了凝固模拟.对两种合金的计算结果进行比较,从热力学角度分析研究了N对FGH96高温合金中析出相的影响.结果表明,N元素主要影响一次碳化物的析出行为,而对其他相的析出影响很小;在含有少量N的FGH96合金中,在液相线温度以上可析出Ti、N为主要成分的M(C,N)相,而不含N时,只有当固相率达到70％时才会从残余液相中析出MC型碳化物.由计算得出的一次碳化物的成分变化结果,并结合扫描电镜图和能谱分析结果可推断出,FGH96高温合金中含有N时,首先从液态合金中析出以TiN为主要成分的M(C,N)相,随后的MC型碳化物会在其表面析出,形成以TiN为核心的一次碳化物.     

FGH96粉末高温合金损伤行为与寿命预测

粉末高温合金中缺陷,尤其是非金属夹杂缺陷不可避免。为了对粉末高温合金的可靠应用,除需在工艺上进行控制以减少缺陷外,还必须研究缺陷对粉末高温合金的损伤行为,及根据粉末高温合金的疲劳特性研究粉末高温合金的寿命预测方法。针对我国先进航空发动机涡轮盘选材的第二代损伤容限型粉末高温合金FGH96,分析了国内外粉末高温合金的发展与应用状况,叙述了其缺陷特性以及缺陷对FGH96粉末高温合金的影响规律,介绍了FGH96粉末高温合金的断裂特征以及裂纹萌生与扩展特性,分析了粉末高温合金寿命预测研究的相关工作,并探索性阐述了基于原始疲劳质量的粉末高温合金寿命预测方法。     

固溶热处理对新型镍基粉末FGH98Ⅰ高温合金组织与性能的影响

对新型镍基粉末高温合金(FGH98Ⅰ)在不同温度下进行固溶热处理,采用热力学相计算、光学显微镜、场发射扫描电镜及化学相分析等研究了亚固溶和过固溶合金的析出相和显微组织,并综合分析了组织与性能的关系。结果表明:FGH98Ⅰ合金经1130℃亚固溶和1190℃过固溶处理后的析出相均为γ’、MC、M23C6和M3B2等,未发现TCP(拓扑密堆)相。FGH98Ⅰ合金亚固溶热处理后晶粒稍有长大,存在尺寸不同的初次、二次和三次γ′相;过固溶热处理合金的晶粒明显长大,存在单模分布的二次γ′相;前者由于晶粒较小使强度更高,后者因减小二次γ′相尺寸和消除初次γ′相,PPB(原始颗粒边界)和残余枝晶,提高了合金的高温塑性和持久性能,说明不同晶粒尺寸和γ′相特征是FGH98Ⅰ盘件获得双性能的关键因素。     

镍基粉末高温合金FGH96应变疲劳行为

对镍基粉末高温合金FGH96在750℃、应变比R=0.05下的应变疲劳循环应力响应曲线、循环应力-应变曲线和应变-寿命曲线进行分析,通过非线性回归拟合,得到基于Manson-Coffin公式及郑公式两种处理模型的应变—寿命曲线及相关参数。结果表明,FGH96合金在实验加载条件下,出现了循环软化—稳定—再软化断裂的应力响应特性,并随着加载应变幅的提高而愈加明显。与Manson-Coffin公式相比,郑公式在宏观预测应变疲劳寿命,尤其是确定材料疲劳极限问题上取得很好的预测效果。     

Grain size based low cycle fatigue life prediction model for nickel-based superalloy

Nickel-based superalloys are easy to produce low cycle fatigue (LCF) damage when they are subjected to high temperature and mechanical stresses. Fatigue life prediction of nickel-based superalloys is of great importance for their reliable practical application. To investigate the effects of total strain and grain size on LCF behavior, the high temperature LCF tests were carried out for a nickel-based superalloy. The results show that the fatigue lives decreased with the increase of strain amplitude and grain size. A new LCF life prediction model was established considering the effect of grain size on fatigue life. Error analyses indicate that the prediction accuracy of the new LCF life model is higher than those of Manson-Coffin relationship and Ostergren energy method.     

Internal residual stress measurement on inertia friction welding of nickel-based superalloy

The internal residual stress in the narrow inertia friction welding (IFW) welds of FGH96 nickel-based superalloy was measured with the contour method (CM). The as-welded internal hoop and axial residual stresses were obtained after two cuts and the detailed steps of the CM measurement were described. In addition, the hole-drilling method was used to obtain the surface stress. Furthermore, the internal hoop residual stress of a FGH96 superalloy IFW specimen after post-weld heat treatment (PWHT) was also measured with the CM after a single cut. The measured results show that the peak hoop residual stress is not symmetrical about the weld centreline. Axial residual stress on the outer surface at the weld centreline is compressive stress, while tensile stress appears on the inner surface, and it varies linearly along the thickness. The peak values of hoop tensile and compressive stresses decrease dramatically after PWHT.     

FGH4096粉末高温合金的热变形行为

对FGH4096合金进行了变形温度1050～1140℃,应变速率0.001～2s-1的热压缩实验。分析了合金的流变行为,构建了Arrhenius型本构方程,得到合金的热变形激活能为870.785kJ/mol。并建立了能够准确描述热加工过程中能量耗散情况和预测变形失稳的热加工图。结果表明:能量耗散与动态再结晶和晶粒长大有关,在变形温度Td为1050～1070℃,应变速率ε为0.001～0.01s-1范围内,峰值耗散率为61%(1050℃,0.001s-1),此区域易形成"项链"组织,很多晶粒处于形核阶段;在Td为1100～1140℃,ε为0.001～0.01s-1范围内,能量耗散峰值达50%(1110℃,0.001s-1),此时,晶界迁移显著,再结晶晶粒明显长大;在Td为1070～1100℃,ε为0.01～0.1s-1范围内,能量耗散率大于39%左右,再结晶完全、晶粒细小。Td为1060～1100℃,ε为0.5～2s-1时,合金落入流变失稳区,能量耗散率达到最小值,局部变形严重是造成流变失稳的重要原因。