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.     

不同取向镍基单晶高温合金的蠕变参数及其与蠕变行为的关系研究

通过蠕变性能的测试和内摩擦应力的测定,研究了[001]、[011]和[111]取向镍基单晶高温合金分别沿[001]、[011]和[111]取向在高温/低应力条件下拉伸蠕变至稳态阶段的有效蠕变参数及其与蠕变性能和变形机制之间的关系。结果表明,随着温度的升高和外加应力的降低,3种取向合金的内摩擦应力降低。在相同条件下,3种取向合金的内摩擦应力顺序为σ_(i[001])σ_(i[111])σ_(i[011])。蠕变前后[011]和[111]取向合金内相对于应力轴倾斜连贯的"屋脊"型基体通道是2种合金具有较低内摩擦应力和较差蠕变抗力的重要原因。[001]取向合金在1040℃/137 MPa条件下的有效蠕变激活能为Q_(e[001])=281.32 kJ/mol,表明其稳态阶段的变形机制为元素扩散控制的位错攀移。[011]取向合金的有效蠕变激活能为Q_(e[011])=146.87 kJ/mol,其较低的数值与其内部开放的基体通道对位错滑移较小的阻碍作用有关;[111]取向合金较[011]取向合金较高的有效蠕变激活能Q_(e[111])=182.61 kJ/mol与其内部片层状的γ′相和位错的交滑移有关。     

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.     

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     

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。     

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。     

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．     

一种镍基单晶高温合金持久性能的预测

在Monkman-Grant方程的基础上计算了试验合金的Larson-Miller曲线,对预测的结果与试验结果进行了比较,计算曲线与实测曲线有较好的吻合,证明该方法能够准确地预测试验合金的持久性能。     

一种镍基单晶高温合金持久各向异性行为

研究了一种镍基单晶高温合金DD499的[001],[011]和[111]3个晶体取向在典型应力条件下的持久性能。结果表明,持久寿命的取向依赖性与温度和应力有关。760℃,790MPa时,[001]取向的持久寿命明显高于[011]和[111]取向;1040℃,165MPa时,持久寿命由大到小顺序为[111]>[001]>[011],但不同取向的各向异性减弱。利用SEM观察持久断裂后的断口和组织结构表明,760℃,790MPa时,[001]取向试样的断裂特征为解理和准解理混合型断裂,[011]取向为单系滑移引起的剪切断裂,而[111]取向为多系滑移引起的剪切断裂;1040℃,165MPa时,3种取向都为微孔聚集型断裂。     

晶体取向对镍基单晶合金蠕变行为的影响

通过蠕变曲线测定及组织形貌观察,研究[001]、[011]取向镍基单晶合金在蠕变期间的组织演化及变形特征。结果表明:经完全热处理后,[001]和[011]取向合金中立方γ′相均以共格方式镶嵌在γ基体相中,并沿〈100〉取向规则排列。蠕变期间,[001]取向合金中γ′相沿垂直于应力轴方向形成N-型筏状组织,而[011]取向合金中γ′相沿[001]取向形成纤维状筏形组织,且在(100)晶面的筏状γ′相与施加应力轴方向呈45°角排列,其中,立方γ′相不同晶面中扩张晶格的法线方向是筏状γ′相的生长方向。在试验温度和应力范围内,与[011]取向合金相比,[001]取向合金具有较好的蠕变抗力。在高温蠕变后期,两取向合金中的筏状γ′相均发生粗化和扭折,其中,[001]取向合金在蠕变后期的变形机制是位错剪切γ′相,而[011]取向合金的变形特征主要是形变位错在基体通道中滑移。     

含铸造微孔镍基单晶合金蠕变损伤和裂纹萌生的模拟计算

基于镍基单晶合金蠕变变形过程中的细、微观组织结构变化及损伤特点,建立了考虑材质劣化和孔洞损伤的双参数蠕变损伤本构方程。利用所建模型对裂纹前缘含铸造缺陷（孔洞）的镍基单晶合金紧凑拉伸（CT）试样蠕变损伤和裂纹萌生进行了模拟计算,并考虑了晶体取向偏差和随机性的影响。计算结果表明：晶体取向和孔洞位置对试样蠕变损伤和裂纹萌生行为有着显著的影响。当孔洞距切口根部距离较近时,裂纹形核于切口附近的孔洞表面,裂纹形核时间较短;孔洞距切口根部距离较远时,裂纹形核位置位于切口表面,具体位置取决于试样的晶体取向,裂纹形核时间较长。随着加载轴晶体取向偏角的增大,裂纹形核时间明显缩短,其分散性加大,最大有34.7%的变化幅度;试样在2个不受控的晶体取向变化时,在偏角为45°和80°出现极值,裂纹形核时间最大偏差达3倍。     

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。     

[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.     

定向凝固和单晶高温合金的再结晶研究

定向凝固和单晶高温合金具有优异的高温力学性能,是制造先进航空发动机涡轮叶片的主要材料.定向凝固和单晶高温合金的优异性能主要来源于消除了与主应力轴垂直的晶界,而再结晶的出现会显著降低合金的高温力学性能.针对近年来国内外对于定向凝固和单晶高温合金再结晶的研究,系统地介绍了定向凝固和单晶高温合金再结晶的特点、主要影响因素、再...     

一种含Re单晶镍基合金的组织结构与蠕变性能

通过组织形貌观察及蠕变曲线测定,研究了一种含Re镍基单晶合金在高温的蠕变行为。结果表明,合金经完全热处理后的组织结构是立方γ′相以共格方式嵌镶在γ基体中。在试验的温度和应力范围内,与无Re合金相比较,含Re合金有较好的蠕变抗力及较长的蠕变寿命,并测算出合金在稳态期间的蠕变激活能与应力指数。通过分析位错攀移越过筏状γ′相及影响合金应变速率的因素,研究了合金在稳态蠕变期间的变形机制,其中,元素Re溶入γ基体后可有效阻碍位错运动,降低合金的应变速率,是使合金具有较低应变速率和较长蠕变寿命的主要原因。     

单晶高温合金HRS定向凝固过程凝固参数的计算机检测与分析

建立了一套炉前计算机数据自动采集和控制系统，该系统可对HRS定向凝固过程的温度数据进行自动采集。对单昌高温合金DD98定向凝固过程湿度场的现场测定和分析的结果表明：该系统现场采集的数据平稳，较好地解决了干扰问题；在恒定的加热温度和抽拉速率下，温度梯度、糊状区宽度等凝固参数是不断变化的，起始端的温度梯度最高，凝固后期温度梯度趋于平稳，糊状区的宽度随着凝固的进行呈增加的趋势。     

Ta对一种镍基单晶合金微观组织及蠕变机制的影响

利用螺旋选晶法制备不同Ta含量的镍基单晶合金,研究Ta对合金微观组织及蠕变机制的影响.结果表明:Ta改变了合金中γ '相的形貌,随着Ta含量的提高,γ’相由椭圆形向方形转变;Ta促进了Mo在γ基体中的溶解,增大了合金的错配度;Ta对镍基单晶合金的高温蠕变寿命有较大影响,随着Ta含量的提高,合金的蠕变寿命增加;Ta促进了γ/γ’界面的位错网的发展与完善,影响了蠕变变形过程中位错的运动方式.     

一种含Re单晶镍基合金的中温蠕变行为及影响因素

通过对合金进行不同温度的固溶处理、蠕变曲线测定及组织形貌观察,研究了热处理工艺对4.5%Re镍基单晶合金中温蠕变行为的影响。结果表明:随着固溶温度提高,可降低元素的偏析程度,提高合金的蠕变性能。在760℃/800MPa条件的蠕变期间,合金中γ′相不形成筏状组织,但在近断口区域,立方γ′相的扭曲程度增加。合金在蠕变期间的变形特征是位错在基体中运动和剪切γ′相,其中,切入γ′相的<110>超位错可由{111}面交滑移到{100}面,形成K-W锁,而切过γ′相的<110>超位错在{111}面发生分解,可形成(1/3)<112>超肖可莱不全位错+层错的位错组态,阻碍位错运动和抑制位错的交滑移。