镍基单晶高温合金的蠕变损伤规律研究

基于镍基单晶合金蠕变过程中的细、微观组织结构变化及损伤特点，本文建立了考虑材质劣化和空洞损伤的双参数蠕变损伤本构方程及寿命预测模型。利用ＤＤ３单晶材料〈００１〉晶体取向的７６０，８５０和１０００℃实验结果考核表明，所建模型可以比较准确地预测蠕变第二、第三阶段变形状态及破坏特征。第二阶段持续时间、第三阶段开始时间可以表示成蠕变应力的指数函数；随着温度的升高，材料劣化加剧，空洞损伤也增加。     

一种镍基单晶高温合金压缩蠕变强度的各向异性

研究了镍基单晶高温合金压缩蠕变强度的各向异性．结果表明,压缩蠕变强度的取向依赖性与温度有关,其由大到小的排序分别为：１０２３Ｋ－［１１０］,［１１１］,［００１］;１１２３Ｋ－［１１０］,［００１］,［１１１］,当蠕变速率小于８×１０－５ｓ－１时,［００１］与［１１０］间的各向异性减弱;１２２３Ｋ－［１１０］,［００１］,［１１１］,但［００１］与［１１０］间的各向异性变得非常弱,通过蠕变门槛应力分析,确定了上述取向在不同区域中的蠕变控制机制,拼据此解释了压缩蠕变强度的各向异性．     

一种镍基单晶高温合金蠕变机制的研究

对一种镍基单晶高温合金在两种蠕变条件下（760℃／780MPa和982℃1248MPa）的变形机制进行分析．结果表明：在中温高应力条件下（760℃／780MPa）,在低应变阶段,位错以堆垛层错的形式切入γ’相;高应变阶段,位错以位错对的方式切入γ’相．在高温低应力条件下（982℃／248MPa）的低应变阶段,母相a／2（110）位错在基体中运动弓出,并绕过γ’相,发生位错反应而形成位错网;高应变阶段与中温高应力条件的切入机制相同．     

镍基单晶合金高温蠕变变形与损伤行为

通过蠕变性能测试和组织观察,研究了镍基单晶合金在高温蠕变期间的变形和损伤行为.结果 表明,该合金在1040℃/137 MPa条件下的蠕变寿命为556 h,表现出优异的蠕变抗力.合金在稳态期间的蠕变特性是位错在γ基体中滑移和攀移越过筏状γ'相.在蠕变后期,合金的变形特征是位错剪切进入筏状γ'相,剪切γ'相的位错可以交滑移...     

单晶镍基高温合金的蠕变断裂

本文研究了〈001〉取向的CMSX—2,SRR99和RR2000三种单晶镍基高温合金,从750-1000℃温度范围和从150—680MPa应力下的蠕变断裂特征;用扫描电镜对上述各种实验状态下的蠕变断口和纵向剖面进行了详细观察。结果表明:单晶的蠕变断裂具有明显的晶体学特征,蠕变裂纹总是从已有的铸造的显微疏松处萌生;对于含碳量较高的材料,碳化物及其与基体的界面也是裂纹萌生的有利位置;这些已萌生的裂纹在外加应力轴垂直的(001)面上各向异性地扩展,直到由于承载截面的逐渐减小而导致最终破坏。虽然在较高的实验温度下,断口被强烈地氧化,但是蠕变断裂特征没有改变,在对三种材料断口上(001)面的大小和面积分数的测量和计算表明,用面积分数来表征蠕变损伤程度是可行的。     

用人工神经网络法预测镍基单晶高温合金的蠕变断裂寿命

根据大量镍基单晶高温合金在不同温度和应力下的蠕变断裂寿命数据,采用一种先进的人工神经网络方法建立运算模型,对合金在不同实验或运行条件下的蠕变断裂寿命进行了预测,并将测算结果与现有其它方法进行了比较．结果表明,所建网络能较准确预测第一、二、三代镍基单晶合金的蠕变断裂寿命．将正交试验分析与网络预测相结合,获得在982℃／250MPa下给定合金成分范围的各元素对其蠕变断裂寿命影响程度的排序．     

[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.     

镍基高温合金U720Li的组织稳定性及蠕变行为

研究了新型镍基高温合金U720Li在650和700℃时组织稳定性,蠕变和变形机制。结果表明,在长期时效过程中,初生γ‘、二次γ‘相以及晶界析出相的形态几乎不发生变化,三次γ‘相经历一个粗化长大和溶解消失的过程中,蠕变第一阶段的形变量随着施加应力的增加单调增大,而在700℃蠕变时,蠕变第一阶段的形变量随着施加应力的增加先降后升。合金650和700℃蠕变断裂寿命和最小蠕变速率在低应力区和高应力区服从于不同斜度的双对数线性规律。在高温低应力下,合金的蠕变机制为位错攀移机制,而在低温高应力下,蠕变过程由位错切割机制控制。     

镍基单晶高温合金定向粗化行为的取向依赖性Ⅱ有限元分析

本文对点阵错配力和施加外载后的内应力大小及分布进行了有限元计算。结果表明,基体通道的应力分布与γ＇颗粒的定向粗化有密切联系。定向粗化的驱动力是塑性变形不均匀分布导致的错配力各向异性松弛。     

无铼二代镍基单晶高温合金中温高应力蠕变机制

通过测定一种镍基单晶合金的蠕变曲线和观察微观组织及对合金断裂后位错组态进行分析,研究中温高应力条件下镍基单晶合金的组织演化及断裂特征。结果表明:在760℃、700 MPa条件下,合金蠕变断裂后的断口表面由类台阶状形貌组成,且台阶取向相同,台阶的两个棱边与110晶向平行,台阶的上平面平行于{001}晶面。合金凝固形成的共晶区是合金薄弱区域,裂纹在该区域萌生和扩展,并最终导致合金的蠕变断裂。800℃、750 MPa蠕变期间,合金中的相可形成与应力轴垂直的类N型筏状结构,但筏状相的尺寸较短,在合金的基体通道及/两相界面处存在大量位错网,有部分110超位错切入筏状相内。(1/2)[1 10]位错由/相界面切入相后发生位错分解,可形成(1/3)112超肖克莱不全位错+层错的位错组态,当有单个位错穿过层错区时,致使位错与层错衬度相互重叠,使层错条纹明暗衬度发生变化。     

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 ...     

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     

Microstructure Evolution of A Pre-compression Nickel-Base Single Crystal Superalloys During Tensile Creep

采用预压应力处理使镍基单晶合金中的γ’相转变成P-型筏状结构, 通过拉伸蠕变曲线测定和组织形貌观察, 研究了该合金拉伸蠕变中的组织演化. 结果表明: 在拉伸蠕变初期, 合金中的P-型筏状γ’相转变为N-型筏状结构. 由于高温拉应力导致γ’/γ两相中元素平衡浓度发生变化及P--型筏状γ’相的不均匀粗化, 促使P-型筏状γ’相发生分解出现沟槽; 沟槽区域溶质元素化学位的提高引起的元素定向扩散是γ’相逐渐溶断成类立方体结构的主要原因. 切应力分量使立方γ’相与应力轴垂直界面的晶格收缩可排斥较大半径的Al和Ta原子, 拉伸张应力使平行于应力轴界面的晶格扩张可诱捕较大半径的Al和Ta原子, 是促使γ’相定向生长成为N--型筏状的主要原因. 其中, 在拉应力作用下类立方γ’相不同界面的应变能密度变化是元素扩散及γ’相定向粗化的驱动力.     

Microstructure Evolution of a Single Crystal Nickel-Base Superalloy During Heat Treatment and Creep

Microstructure evolution of a single crystal nickel-base superalloy during heat treatment and tensile creep at 1010℃ and 248 MPa for 30h was observed and analyzed. Internal stresses because of lattice mismatch between γ and γ‘ phase provided the driving force for γ‘ shape evolution during heat treatment. More than 65 vol. % distorted cubic γ‘ phase keeping coherency with the γ matrix precipitated after solution at 1295℃ for 32h. The shape of γ‘ phase was perfectly cubic with increasing precipitate size during the two-step aging treatment. Due to the applied stress and intemal stress field the continuous γ-γ‘ lamellar structure perpendicutar to the apptied stress was fonmed after 30h tensile creep.     

镍基单晶超合金中孔洞长大的试验和有限元分析

在高温状态下，镍基单晶超合金的变形、损伤及断裂分析中，孔洞的长大都起着主要的作用。本研究进行了系列的蠕变、疲劳及热机械疲劳（TMF）试验。对试件的断面进行的SEM观察表明，所有的断面都是有许多小断面构成，在断面的中心，至少有一个孔洞。孔洞的尺寸与加载的条件相关。使用晶体塑性有限元程序对单胞模型进行分析，模拟孔洞的长大规律。给出了蠕变和弹塑性两种条件下的模拟结果及不同的晶体取向对孔穴长大的影响结果。对孔洞长大的有限元分析有助于对实验结果的理解。     

预压缩单晶镍基合金的组织结构及在拉伸蠕变期间的粗化特征

对[001]取向单晶镍基合金进行压应力处理，获P-型筏状结构后，对其进行拉伸蠕变性能测试及SEM形貌观察，研究了P-型筏状结构的粗化特征及影响因素。结果表明：由于应力场的差别，样品不同位置筏状γ＇相粗化程度及特征不同，近断口处筏状γ＇相扭曲且粗化程度加剧，随离断口距离增加，γ＇相粗化程度减弱。有限元分析认为：外加载荷改变了水平和垂直γ基体通道中的错配应力分布，并使立方γ＇相不同界面晶格发生挤压或扩张应变，这可以促进元素的互扩散和γ＇相的定向生长，是形成P-型筏状组织的主要原因。在高温及拉应力作用下，P-型γ＇相端部沿垂直于应力轴方向优先生长和相互横向连接，并进一步形成折叠的层状组织。     

镍基单晶高温合金沉淀相尺度效应研究

对Ni_3Al(γ')沉淀相尺寸对镍基单晶高温合金拉伸性能的影响进行了研究。对镍基单晶高温合金而言,材料的屈服来源于位错以Orowan机制绕过沉淀相,而Orowan应力与沉淀相间距有关。根据这一机理,基于晶体塑性理论,引入一个本构方程以表征沉淀相尺寸对镍基单晶高温合金屈服强度的影响。采用该本构模型,分别计算了在[001]以及[111]2个取向下,含有尺寸为0.2~2.5μm沉淀相的镍基单晶高温合金屈服强度,并与试验结果进行了对比验证。结果表明,该模型可以准确表征镍基单晶高温合金沉淀相的尺度效应。     

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。     

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。