高温合金热疲劳实验机的研制及实验研究

介绍了用于测试高温合金热疲劳性能的热疲劳实验机。该实验机主要用于定性地测量合金在某一条件下循环规定的次数后热疲劳裂纹扩展的长度,或热疲劳裂纹在扩展一定长度下循环的次数。该实验机的优点是:完全自动化、运行灵活、定位准确。通过对DZ951定向凝固镍基高温合金进行实验研究,表明该热疲劳实验机具有较好的稳定性和可靠性。DZ951合金主要通过铝和铬元素氧化,产生氧化孔洞。热疲劳裂纹通过孔洞相互连接萌生和扩展。合金具有两条热疲劳裂纹,且扩展具有一定方向,与枝晶生长方向成45°扩展。     

DD6单晶高温合金振动疲劳性能及断裂机理

研究[001]取向的DD6单晶高温合金的室温振动疲劳S-N曲线,并获得了其室温振动疲劳极限。利用体视显微镜、扫描电子显微镜、背散射衍射等手段对DD6单晶高温合金振动疲劳断裂机制进行分析。结果表明:采用S-N法估算得到的[001]取向的DD6单晶高温合金室温振动疲劳极限约为337.5MPa。振动疲劳裂纹断口呈现单个或多个沿{111}晶体学扩展平面组成的形貌特征,断口上分为疲劳源区和疲劳扩展区两个阶段,裂纹在应力最大截面处的表面或内部缺陷处萌生,呈单源特征,疲劳扩展区呈现类解理断裂特征,未出现典型的疲劳条带特征。说明沿{111}晶面滑移是DD6单晶高温合金室温振动疲劳断裂的主要变形机制,断口上的类解理扩展平面以及微观上类解理花样是DD6单晶高温合金室温振动疲劳断裂的主要特征。     

返回料添加比例对K44合金热疲劳性能的影响

研究了返回料添加比例对新型抗热腐蚀高温合金K44热疲劳性能的影响.结果表明:新料和返回料合金试样V型缺口尖端主裂纹扩展长度与热循环次数之间遵循L=bNa规律.新料合金热疲劳裂纹萌生和扩展速率最低,随着合金中返回料比例的增大,热疲劳裂纹萌生速率和扩展速率也增大.热疲劳裂纹萌生于V型缺口尖端附近区域,沿枝晶间、晶界和开裂的碳化物扩展,主裂纹扩展以裂纹尖端连续开裂的形式进行.返回料合金由于氮含量增加导致共晶和夹杂物增多,碳化物聚集块化,加速了热疲劳裂纹的萌生与扩展.合金经热疲劳实验后,裂纹两侧产生氧化带和γ'相贫化带.     

涂覆热障涂层构件的热梯度机械疲劳行为研究

研究了应变幅、预氧化及高温保载时间对涂覆热障涂层高温合金样品的热梯度机械疲劳性能的影响。结果表明,随应变幅增大,样品疲劳寿命降低。随着预氧化及高温保载时间的增加,样品的氧化损伤增大,疲劳寿命也不断降低。试验过程中,粘结层氧化形成的热生长氧化物层(TGO层)破裂而萌生裂纹,裂纹沿粘结层/TGO层界面扩展而形成分层裂纹,分层裂纹与陶瓷层内贯穿裂纹连接导致陶瓷层剥落而失效。考虑到热障涂层内最大应力及氧化损伤,建立了一个涂覆热障涂层高温合金样品的热梯度机械疲劳寿命预测模型。     

镍基单晶合金紧凑拉伸试样高温断裂特性的实验研究

采用紧凑拉伸（CT）试样对三种晶体取向[001]，[011]，[111]的镍基单晶合金DD3在950，850℃和760℃下的拉伸以及950℃时的蠕变和疲劳性能进行了实验研究。应用光学显微镜（OM）和扫描电子显微镜（SEM）分别对单晶体裂纹扩展路径和断口表面进行了观察和分析。拉伸实验结果表明：单晶体裂纹扩展路径沿着特定的晶体学矢量方向扩展而在试样自由表明呈现Z字型外观，其扩展方向及形状取决于晶体取向。温度对试样的断裂形式影响较为显著，760℃时的断裂特征为剪切型脆性断裂，断裂平面为沿滑移面的光滑斜断口；950℃下试样断裂逐渐转变为微孔聚集型韧性断裂，断口由粗糙的剪切唇和纤维区构成。蠕变和疲劳实验结果表明：镍基单晶具有明显的蠕变和疲劳性能各向异性，蠕变寿命以[011]，[111]，[001]顺序依次减小，疲劳寿命以[111]，[011]，[001]顺序依次减小；蠕变及疲劳裂纹扩展路径均与加载方向垂直，断裂表面均为光滑的平断口。试样断口细观分析显示，蠕变试样断口由杯锥状韧窝组成，而疲劳试样断口则由疲劳裂纹组成。疲劳损伤比蠕变损伤更有利于裂纹的扩展。     

材料取向对定向合金DZ125热/机械疲劳行为与寿命的影响

对DZ125定向凝固铸造镍基高温合金进行了纵向、横向和45°取向,应变比Rε=-1.0的同相位和反相位550～1000℃热/机械疲劳试验研究.试验结果表明:纵向取向试样的抗热/机械疲劳性能比横向取向以及45°方向取向试样要好得多,而45°方向取向试样的抗热/机械疲劳性能最差.研究了材料取向对热/机械疲劳行为的影响.试样断口的微观分析表明:在热/机械疲劳过程中,同时存在疲劳、蠕变和氧化损伤.     

影响单晶Ni基高温合金持久性能的因素

本文研究了一些直接影响单晶 Ni 基高温合金持久强度的因素。原始晶界和由机械加工引起的再结晶对性能的危害极大。在经高温持久试验后的单晶中,往往形成亚结构和微孪晶。单晶合金的[001]方向平行应力轴时,持久性能最佳。当[001]方向与应力轴夹角大于10°时,持久强度大幅度下降。单晶合金中碳化物的含量越多,尺寸越大,对持久性能损害越大。初生γ′和共晶相区是单晶合金中的低强度区域,应通过固溶热处理消除。单晶高温合金经组织结构和晶体取向的一系列优化后,持久强度比普通铸造和定向凝固合金显著提高。     

凝固方向对单晶高温合金枝晶组织的影响

用籽晶法制备了沿不同晶体取向凝同的镍基单晶高温合金试样,研究了单晶中枝晶形貌和一次枝晶臂距随凝固取向的变化规律.结果表明:凝同方向偏离[001]取向小于15°时,枝晶排列比较规则,一次枝晶臂距随偏离角度增大而减小;偏离角度为25°时,部分二次枝晶臂阻断了相邻一次枝晶干的生长,导致一次枝晶臂距增大.沿[011]和[111...     

Ni3Al合金热/机械疲劳裂纹扩展行为研究

对ＩＣ１０定向凝固高温合金进行了４５０￣９９０℃热／机械疲劳裂纹扩展行为的试验研究。分别研究了相位角、保持时间、温度、频率对ＩＣ１０合金裂纹扩展行为的影响,并建立了热／机械疲劳裂纹扩展速率预测模型。研究发现：温度的升高和频率的降低均会加速裂纹扩展;同相位热／机械疲劳裂纹扩展速率大于反相位热／机械疲劳裂纹扩展速率,而且它们两者介于最大温度和最小温度的等温度裂纹扩展速率之间;载荷保持加速裂纹扩展。     

单晶高温合金DD6拉伸性能各向异性

研究了[001],[011],[111]取向第二代单晶高温合金DD6的拉伸性能与断口组织。结果表明:DD6单晶高温合金存在拉伸各向异性,850℃以上[001]取向DD6单晶高温合金的抗拉强度与屈服强度分别高于[011],[111]取向合金的强度,[001],[011],[111]取向DD6单晶高温合金的拉伸断口具有类解理断裂与韧窝断裂的特征。     

带有扭转小角度晶界DD6单晶高温合金的横向持久性能EI北大核心

在980℃/250MPa条件下,研究了DD6单晶高温合金扭转小角度晶界的横向持久性能。结果表明,0~4.0°晶界试样与[001]取向试样的持久寿命相近,表明DD6单晶高温合金的横向持久性能优异;4.0°晶界试样持久断裂不为沿晶断裂;随着晶界角度的进一步增大,合金的横向持久性能明显下降,断裂方式为沿晶断裂。     

镍基单晶高温合金热机疲劳断裂特征

为了进一步提高镍基单晶高温合金的热机疲劳性能,通过微观结构解析研究了合金热机疲劳断裂特征.通过金相和扫描电子显微镜研究了热机疲劳断裂的断口特征和微观结构.研究表明:裂纹起源于形变孪晶与试样外表面的交截处,过程中的氧化有助于裂纹的长大;裂纹尖端的应力场诱发出大量形变孪晶,而形变孪晶的存在为裂纹进一步沿着孪晶界扩展提供了便利条件;镍基单晶高温合金的疲劳断裂主要是由于形变孪晶的形成以及裂纹沿孪晶界的扩展造成的.形变孪晶与高温合金疲劳断裂密切相关.     

DD6单晶高温合金980℃蠕变性能研究

研究了第二代单晶高温合金DD6的[001],[011]和[111]取向980℃不同应力条件的拉伸蠕变性能.结果表明,DD6合金的蠕变性能良好,并具有蠕变各向异性;与[011]和[111]取向相比,应力对[001]取向的合金蠕变寿命影响较小;蠕变过程中由于晶体转动[001]结晶取向与主应力轴方向偏离度逐渐减小,而[011]和[111]结晶取向与主应力轴方向偏离度有所增加;[001]取向的合金加工硬化倾向性较大,[011]和[111]取向的合金加工硬化倾向较小.     

保持时间对定向合金DZ125热/机械疲劳断裂行为的影响

对DZ125定向凝固铸造镍基高温合金进行了应变比为-1.0的同相位三角波和同相位梯形波,550℃()1000℃热/机械疲劳实验研究.实验结果表明:在相同应变幅下,同相位三角波载荷情况下的热/机械疲劳寿命比同相位梯形波载荷情况下的热/机械疲劳寿命长.研究了在两种载荷情况下材料的热/机械疲劳循环应力响应行为.试样断口的微观分析表明:在热/机械疲劳过程中,同时存在疲劳、蠕变和氧化损伤;在同相位三角波载荷下,穿晶 沿晶断裂为疲劳断裂的主要特征;在同相位梯形波载荷下,裂纹主要为沿晶萌生与扩展.这是导致在同相位梯形波载荷下疲劳寿命缩短的主要原因.     

镍基单晶高温合金的拉伸断裂行为

对[001]、[011]和[111]取向的镍基单晶高温合金的不同取向的弹性模量及硬度做了表征,并分析了[011]和[111]取向的单晶在室温和1070℃的拉伸断口形貌。研究结果表明:合金的弹性模量及拉伸断裂存在各向异性。室温下,[011]取向试样拉伸断裂变形不均匀,断面为椭圆形;[111]取向的试样断裂面为圆形,没有发生颈缩。[011]、[111]取向断口均由裂纹源区、扩展区及瞬断区组成。室温下,合金的拉伸断口为剪切型韧性断裂;高温下,合金的拉伸断口为微孔聚集型韧性断裂。     

单晶高温合金高周疲劳行为的研究

一、引言 高温合金涡轮叶片一般需承受复杂的应力,除温度变化引起的热应力以外,还有恒定的离心力和热燃气喷射而产生的高频振动力。而高温高周疲劳实验能够较好地模拟后两种应力。对于单晶高温合金,抗高温高周疲劳能力将大大提高,许多研究表明,高周疲劳裂纹源总是发生在晶体材料的不连续处,包括疏松、夹杂和晶界等,比起普通铸造和定向凝固高温合金,单晶高温合金疏松和夹物很少,且不存在晶界,因此疲劳强度极限明显提高。但单晶高温合金疲劳断裂总是呈脆性的,深入研究它的微观断裂机制是非常必要的。本文对在热腐蚀环境下的涡轮叶片用单晶高温合金经高温高周疲劳实验后的断裂特征和微观机制进行研究。 二、实验过程 研究用单晶高温合金的化学成分为(wt％):Cr15.61,Co8.45,W5.74,Al3.80,Ti3.82,Ta1.16,其余为Ni。用选晶方法拉制成单晶试棒,经下列热处理     

镍基单晶合金低周机械疲劳寿命模型评述

航空发动机叶片等先进动力推进系统涡轮叶片长期服役于高温、高压、高离心力的工作环境,对叶片材料的性能有很高的要求。普通多晶合金材料存在晶界,晶界处较为脆弱,裂纹易滋生于晶界并沿晶界扩展。采用定向凝固工艺的镍基单晶合金消除了晶界组织,具有较高的高温强度、良好的蠕变与疲劳抗力、优异的热稳定性,长久以来一直作为涡轮叶片材料使用。镍基单晶材料的疲劳损伤是直接影响叶片服役时间的一个重要因素,疲劳损伤的评估依赖于合理有效的疲劳寿命模型。镍基单晶材料的疲劳模型涉及范围很广泛。一方面,材料的工作环境复杂,涉及的疲劳问题包括机械疲劳、热疲劳、热机械疲劳以及蠕变疲劳等。另一方面,单晶材料本身的各向异性带来了疲劳性能的各向异性,取向偏离这一铸造缺陷决定了单晶材料的实际使用取向并非材料性能的择优取向。目前,研究者们主要从复杂环境带来的复杂疲劳状态和单晶本身的各向异性方面进行疲劳寿命模型的探究。针对复杂的疲劳状态,目前的疲劳模型从基本机械疲劳出发,向各个侧重探究方向延伸,尚没有广泛适用且机理清晰的模型。机械疲劳模型的探究仍处于前列。在针对材料本身各向异性的研究方面,学者们提出了不同的各向异性疲劳性能的处理方式,如基于单晶体弹性模量各向异性的取向因子类模型,这类模型因操作简单而适合工程应用,但其预测能力缺乏评估。由于复杂疲劳状态涉及范围太广,本文立足于低周机械疲劳,分类整理了其疲劳模型,按照疲劳损伤参量的定义思路将模型分为宏观损伤参量模型和微观损伤参量模型两大类,论述了各类模型的建模原理。同时收集了五种镍基单晶材料的11组疲劳试验数据,对典型模型进行了评估,以期为进一步探究镍基单晶的疲劳寿命模型提供参考。     

室温大气环境下过时效态3J21合金疲劳行为

在MTS万能实验机上对室温大气环境下过时效态3J21合金的疲劳行为进行研究,并采用扫描电镜(SEM)对宏观断口及微观断口进行分析.结果表明,过时效态3J21合金的疲劳裂纹呈穿晶扩展和沿晶扩展,且沿晶扩展的比例较大,疲劳裂纹萌生寿命短,扩展途径相对平直,扩展速率大,裂纹扩展抗力小,疲劳寿命低;过时效态3J21合金疲劳断口...     

第二代单晶高温合金DD6的横向拉伸性能

在800-950℃的条件下,研究了第二代单晶高温合金DD6的横向拉伸性能。结果表明：随着温度的升高,横向拉伸强度下降,横向伸长率先增加然后明显下降;与合金的纵向性能即[001]取向性能相比,在较高温度下横向伸长率明显小于纵向伸长率;随着温度的升高,沿枝晶界面易于形成显微裂纹,导致塑性降低。     

两种组织TC11钛合金薄板弯曲疲劳性能的研究

本研究选取了具有（α＋β）等轴组织和α／β粗片层组织的TCll钛合金作为研究对象,采用研究了TCll合金薄板样品在恒总应变幅控制下的弯曲疲劳性能及其损伤行为,通过对疲劳开裂路径和断裂的观察与表征,探讨了疲劳损伤与组织结构间的关系。研究发现,恒总应变幅控制下的等轴组织TCll钛合金薄板的弯曲疲劳性能明显的高于粗片层组织合金。等轴组织合金的疲劳裂纹沿α相中的滑移带萌生并扩展,片层组织样品疲劳裂纹沿着α相或与片层垂直的方向扩展。