Calculation of the internal stresses at the γ/γ’ interface of DD8 single crystal nickel base superalloy after thermo-mechanical fatigue

计算了DD8单晶镍基高温合金在同相(IP)和反相(OP)热机械疲劳(TMF)后γ／γ′相界面上产生的位错网的内应力．结果表明：IPTMF条件下，γ／γ′相界面上产生的位错网可以释放掉大部分错配应力，同时因位错网的存在导致了γ′沉淀相发生了明显的筏化现象．OP条件下产生的层错未造成基体内应力分布的不同，因此未发生γ′沉淀相的筏化。     

DD8单晶镍基高温合金热机械疲劳后的微观结构

透射电镜(TEM)观察表明、DD8单晶镍基高温合金经过热机械疲劳(TMF)后，在同位相(IP)和反位相(OP)加载的条件下，合金内部的位错组态和γ′沉淀相的形貌有很大的区别．在IP加载条件下，垂直应力轴的γ／γ′相界面上存在着密集的六角形位错网、平行应力轴的相界面上存在的是四边形的位错网，而且在小机械应变幅下，γ′相出现明显的筏化现象、并且随着应变幅的增加，γ′沉淀相的筏化现象也越来越不明显．在OP加载条件下，在γ／γ′相界面上则没有位错网被观察到，γ′被层错剪切，并且没有明显的筏化出现．     

同位相热机械疲劳形变后γ/γ'相界面上的位错网分析

DD8单晶镍基高温合金经过同位相热机械疲劳(TMF)后,在垂直于应力轴的γ/γ'相界面上存在着大量的六角形位错网.对位错网中的位错进行的分析表明,六角形位错网中的位错都是刃型位错,而且这些位错的Brugers矢量都不与滑移过程开动的滑移系相对应.利用双交滑移模型说明了位错网的形成机制.     

单晶镍基高温合金DD8反位相热机械疲劳后的层错

对镍基单晶高温合金DD8在恒机械应变控制下的反位相(OP)热机械疲劳(TMF)实验后的微观结构进行了研究.结果表明,DD8单晶经过OP TMF后γ＇沉淀相被Schockley不全位错剪切,而不是象在等温疲劳(IF)那样是被位错对剪切.经过分析得出,γ＇沉淀相是被位错对还是Schockley不全位错剪切,在适当的温度下,与形变的速度和施加的应力大小有很大的关系.     

同位相热机械疲劳形变后γ／γ′相界面上的位错网分析

DD8单晶镍基高温合金经过同位相热机械疲劳（TMF）后，在垂直于应力轴的γ/γ′相界面上存在着大量的六角形位错网。对位错网中的位错进行的分析表明，六角形位错网中的位错都是刃型位错，而且这些位错的Brugers矢量都不与滑移过程开始的滑移系相对应。利用双交滑移模型说明了位错网的形成机制。     

预压缩镍基单晶合金拉伸蠕变期间的组织演化

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品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.     

Stacking Fault in γ’ Precipitate of Single Crystal Nickel Base Superalloy DD8 After Out-of-Phase Thermo-Mechanical Fatigue

对镍基单晶高温合金DD8在恒机械应变控制下的反位相（OP）热机械疲劳（TMF）实验后的微观结构进行了研究。结果表明，DD8单晶经过OP TEM后γ′沉淀相被Schockley不全位错剪切，而不是象在等温疲劳（IF）那样是被位错对剪切。经过分析得出，γ′沉淀相是被位错对还是Schockley不全位错剪切，在适当的温度下，与形变的速度和施加的应力大小有很大的关系。     

一种镍基单晶高温合金的蠕变各向异性

分别制备了[001]和[011]取向的Ni-Co-Cr-Mo-w-Al-Ti-Ta镍基单晶高温合金试样.在750℃/750 MPa条件下,[001]取向合金的平均蠕变寿命叫显高于[011]取向合金,[011]取向合金延伸率稍高.在982℃/248 MPa条件下,[001]取向合金的平均蠕变寿命和延伸率均高于[011]取向合金,各向异性上要表现在加速蠕变阶段,但各向异性程度比低温高应力时显著降低.存高温低应力条件下,2种取向合金中γ'相均已形筏,[001]取向合金的筏化方向垂直于应力轴,而[011]取向合金的筏化方向与应力轴的夹角约为45°.γ'相形筏后,阻碍了位错运动,导致加工硬化,因此,γ'相筏化是各向异性程度降低的主要原因.在[011]取向合金的蠕变后期观察到挛品组织同时穿越γ和γ'相,导致试样塑性人幅度降低,迅速断裂.     

预压缩处理对镍基单晶高温合金蠕变变形机制的影响

对[001]取向镍基单晶合金进行预压缩处理,获得P-型筏状结构后进行拉伸蠕变实验,测定P-型γ'合金(预压缩态)与立方γ'合金(热处理态)的相对蠕变性能.结果表明:在800 ℃,600 MPa条件下,P-型γ'合金的初期蠕变应变及稳态蠕变速率相对较高,而持久寿命相对较短.TEM观察显示,P-型γ'合金在蠕变初始阶段除了基体中的{111}<110>多滑移启动外,位错还以层错和超位错的形式切入γ'相.在980-1020℃温度区间及恒定载荷200 MPa条件下,P-型γ'合金的稳态蠕变速率相对较低,持久寿命相对较高.在稳态蠕变初期,合金中的γ'相有效地抑制了位错沿垂直γ/γ'界面的攀移运动;而在稳态蠕变中期,γ'相被稠密的位错网包围,位错难以切入,合金的蠕变抗力提高.     

热力耦合对一种第四代镍基单晶高温合金1100℃蠕变组织演变的影响

以一种第四代镍基单晶高温合金为研究对象,采用变截面蠕变试样,在1100℃、43~96 MPa条件下进行200 h蠕变中断实验,利用SEM和TEM观察了微观组织演变规律,利用同步辐射高能XRD和EPMA分析了高温低应力条件下镍基单晶高温合金的蠕变组织演变。结果表明:随着应力的增大,镍基单晶高温合金的γ′相体积分数降低,筏化程度增大且筏排厚度下降,同时,γ相通道宽度逐渐增大,而γ/γ’两相界面位错网间距逐渐减小。固溶强化元素Re、Mo和Cr等在γ相中的富集导致γ/γ’两相错配度绝对值增大。蠕变过程中γ’相体积分数降低和γ’相筏排厚度减小显著降低了合金的强度。另外,位错在γ′相溶解所导致的弯曲相界处的塞积,使位错易于切入γ′相,也是镍基单晶高温合金室温硬度下降的重要原因。     

[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.     

镍基单晶合金在压缩蠕变期间的组织演化与有限元分析

通过[001]取向镍基单晶合金压缩蠕变性能测试及组织形貌观察,确定出合金经压应力蠕变后的组织结构是γ'相沿平行于应力轴方向形成P-型筏状组织。采用三维应力应变有限元方法计算出立方γ/γ'两相共格界面的Von Mises应力分布,研究了施加应力对应力分布及γ'相定向粗化规律的影响。结果表明,施加压应力可改变立方γ/γ'两相的应力分布,γ'相的定向粗化取向与γ基体通道的Von Mises应力分布密切相关,其中,在施加压应力作用下,立方γ'相的(001)晶面产生较大的Von Mises应力及应变能密度变化是使其发生组织演化的主要原因。并进一步提出压应力蠕变期间,合金中发生元素定向扩散和γ'相定向生长的驱动力。     

不同Al含量γ′相的反相畴界能及其对GH99镍基合金强度的贡献

GH99镍基合金在室温拉伸变形条件下,被位错切割过渡到被位错绕过的γ'[Ni_3(Al,Ti)]质点的临界直径约为60nm.在同样条件下,该合金γ'强化的方式属于被位错切割机制.增加γ'相中Al含量能提高其反相畴界能和增大合金塑性变形的临界分切应力.GH99镍基合金的室温屈服强度理论计算值与实测值很接近.由γ'沉淀强化所贡献的强度占总强度的45％到64％,它随γ'相中Al含量的增多而增大.晶界碳化物强化所贡献的强度很少,只占2—3％。     

Re对单晶镍基合金蠕变行为的影响

通过对有Re和无Re单晶镍基合金进行蠕变性能测定,结合组织形貌观察,研究了Re对单晶镍基合金蠕变行为的影响.结果表明,Re可有效提高合金的高温蠕变抗力,与无Re单晶合金相比较,加入2%的Re后,可使合金在高温低应力条件下的蠕变寿命有较大幅度的提高,计算出2%的Re合金在稳态蠕变期间的蠕变激活能Q=478.6 kJ/mol,应力指数n=5.1.合金在蠕变初期的变形特征是(1/2)<110>位错在基体通道中滑移,运动位错相遇发生位错反应,在γ、γ'两相界面处形成位错网,可提高合金的蠕变抗力.蠕变后期,合金的变形机制是<110>超位错切入筏状γ'相内.     

原始孔洞缺陷周围应力分布对镍基单晶高温合金组织演变的影响

在高温低应力条件下,研究了DD6镍基单晶合金原始疏松孔洞周围应力分布及其与附近γ′相筏化之间的关系。通过有限元模拟和实验验证发现:原始孔洞形貌和取向对于其界面周围组织稳定性有重要影响,单向加载条件下,疏松孔洞界面主要集中拉应力;孔洞长轴取向越接近于外加载荷方向,其周围γ′发生筏化面积越大。蠕变微裂纹优先由某些形貌取向有利于其周围组织筏化的孔洞界面处产生。     

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...     

先进镍基单晶高温合金组织稳定性及力学行为的研究进展

从先进镍基单晶高温合金的微观组织稳定性和力学行为2个方面,简要介绍了γ'相筏化、TCP相析出、高温和超高温低应力蠕变以及低周和热机械疲劳的主要研究进展.合金元素Ru的添加提高了合金的高温低应力蠕变寿命,但也间接促进了拓扑倒置现象的发生.随时效时间的延长和时效温度的升高,m相中的难熔元素含量都会明显增加;随着外加应力的增加,m相的析出量增加,压应力则相反.m相在析出的过程中会形成大量的面缺陷,这些缺陷会促进其它TCP相如P相和R相的形核.在高温低应力蠕变的过程中,镍基单晶高温合金中出现另一种重要的a010超位错,通过滑移和攀移相结合的方式在γ'相中缓慢运动.在超高温蠕变条件下,开始出现一个蠕变加速的孕育期,这与γ基体在超高温下不同程度的宽化有关.Ru的添加显著降低了合金的层错能,在低周疲劳的过程中可引起层错贯穿γ/γ'界面、a/6112Shockley拖后位错切入γ'相等复杂变形机制.在热机械疲劳的过程中,裂纹萌生的位置、微观结构的变化以及抗氧化性能都会影响镍基单晶高温合金的寿命.     

Ni基合金γ/γ''相界Ir合金化时结构特性的第一原理研究

采用非相对论第一原理分子轨道DV-Xa模型簇方法,计算了Ni基单晶超合金γ/γ'相界的电子结构,并从键重叠聚居数(QAB)、界面原子层间的部分键合强度,以及界面原子局域环境总键合强度几个方面,对Ir合金化前后γ/γ'界面的结构稳定性、脆化特性、相间断裂的难易程度等几个方面对γ/γ'相界的结构特性进行了分析.结果表明:Ir合金化能增强γ/γ'界面Ni-Ni与Ni-Al原子间的键合强度,价键强度的增加有如下的变化趋势:QNi-Ni＜QNi-Al＜QIr-Ni＜QIr-Al,相界上,当被置换原子的种类与位置不同时,Ir合金化对γ/γ'相界结构性能的影响程度也不相同,比较而言,Ir置换γ相中的Ni最有利于提高γ/γ'相界的结构稳定性与相间抗断强度.     

一种单晶高温合金的高温蠕变性能

在真空定向凝固炉中采用螺旋选晶法制备了一种镍基单晶高温合金,研究了合金在不同温度和应力下的高温蠕变性能,用扫描电镜和透射电镜研究了合金蠕变断裂组织。结果表明,在1 070~1 120℃温度范围内,120~140 MPa应力条件下,合金具有良好的蠕变性能和较高的承温能力。随着加载应力或者温度提高,合金的应变速率增大,蠕变寿命降低。合金在高温蠕变过程中形成了筏排组织,随着加载应力或者温度提高,筏排的厚度增加。不同条件的蠕变过程中都析出了少量的针状σ相,它主要含有Re、W、Mo等元素。高温下合金蠕变变形机制为位错绕过机制,在γ/γ′相界面形成了高密度的位错网。     

单晶镍基合金蠕变期间γ￠相的定向生长及影响因素

通过测算不同成分Ni-Cr-Co-W-Mo-Al-Ta系单晶合金在蠕变期间元素扩散的迁移率和γ'相定向粗化速率,研究了元素之间相互作用对扩散速率及γ'相定向粗化速率的影响.结果表明:在γ'相定向粗化期间,合金中γ'相的筏形化速率随成分和应力不同而变化,且γ'相筏形化时间随施加应力的提高而缩短,其中,元素扩散及γ'相定向粗化的驱动力与施加应力及弹性模量相关.元素之间的相互作用对元素Al的扩散速率有影响,随合金中难熔元素Ta+Mo总含量及Ta/W的比值增加,可提高Al的扩散激活能,降低Al的扩散速率,延长γ'相的筏形化时间.在γ'相定向筏化的扩散场中,由原子偏聚形成有序相是自由能降低的自发过程,其中较大半径的Al、Ta原子迁移至{100}晶面,可形成异类原子结合键及稳定的原子堆垛方式,是形成Ll2结构γ'有序相的主要原因.