镍基单晶合金的高温蠕变行为研究

航空发动机、燃汽轮机等高温部件长期工作在高温、高压等严酷环境下,蠕变和疲劳成为制约其使用寿命的重要因素之一,近年来日益受到广泛关注。从镍基单晶合金的高温蠕变现象出发,结合高温蠕变行为中的定向粗化、蠕变各向异性、位错演化、损伤力学模型等问题,介绍了国内外单晶高温合金蠕变行为的研究现状及发展趋势。     

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。     

镍基单晶高温合金的典型蠕变寿命模型

镍基单晶高温合金具有一定的高温强度、良好的抗氧化、抗热腐蚀、抗冷、热疲劳性能,并有良好的塑性和焊接性。镍基单晶高温合金作为航空发动机涡轮叶片的重要材料,其力学性能对航空发动机有着重大影响,研究其疲劳寿命具有重要意义。镍基单晶高温合金蠕变疲劳损伤及寿命预测一直是国内外学者研究的重点。文章基于蠕变疲劳理论和国内外研究情况,阐述了稳态蠕变本构关系和θ映射蠕变模型,介绍了几种典型的镍基单晶高温合金的蠕变疲劳寿命模型。文章分析指出,当前在工程应用中主要采用单晶合金的蠕变疲劳宏观模型,而微观模型的研究还处于探索阶段,建议用微观模型建立蠕变寿命预测方法,分析微观理论机制,有望提高预测精度与蠕变寿命。     

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.     

含2% Ru单晶镍基高温合金蠕变行为的研究

测定了一种含2%Ru单晶镍基高温合金的蠕变性能,观察了它的组织形貌。据此计算了合金在不同温度和应力条件下的蠕变激活能和应力指数,以研究合金的蠕变行为和组织演变规律。结果表明,合金在高温、低应力条件下的蠕变激活能Q为484.6 kJ/mol,应力指数n为4.5;在中温、高应力条件下的蠕变激活能Q为496.9 kJ/mol,应力指数n为12.3。这说明,合金在高温低应力条件下的蠕变机制为位错在基体中滑移以及位错越过γ′相攀移,而在中温高应力条件下的蠕变机制为位错剪切进入γ′相。对蠕变试件近断口区组织形貌的观察发现,在高温、低应力条件下,γ′相形成N形筏状结构;在中温、高应力条件下,γ′相尺寸增大但不发生筏状转变,γ相和γ′相发生扭曲。     

GH4049镍基高温合金的高温蠕变行为

研究了镍基变形高温合金GH4049,在实际工作温度范围700～900℃,应力137～600 MPa下的高温拉伸蠕变行为,得到了蠕变后的高温应变恢复曲线.提出了应用参数优化估计的方法,在较大温度及应力范围内,计算稳态蠕变率的宏观唯象公式中的各参数,并用ZA27和GH4049合金的实验数据验证了该方法的可行性.GH4049合金各温度下的稳态蠕变速率与所施加的应力,在双对数坐标系下呈线性关系,应力指数平均值为7.685 1,平均稳态蠕变激活能为543.6 kJ/mol.     

镍基单晶合金压痕蠕变研究

为了探索用压痕法确定晶体学蠕变应力指数的可行性,采用晶体塑性理论模型对不同取向镍基单晶合金压痕蠕变行为进行了有限元模拟。研究表明,晶体学对称性会导致压痕表面应力呈现特定的对称性;晶体取向对压痕蠕变深度及其扩展速率具有显著的影响。通过开展不同载荷下的压痕蠕变模拟,获得相应的稳态压痕深度扩展速率,再通过线性回归的方法可有效获得晶体学蠕变应力指数。本文提出的确定蠕变应力指数的方法不受晶体取向的影响,有望应用于各向异性高温合金蠕变性能评估。     

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．     

单晶镍基高温合金超高温蠕变期间的变形机制

通过蠕变性能测试及组织形貌观察,研究了6％Re-5％Ru(质量分数)单晶镍基高温合金的超高温蠕变行为和变形机制.结果 表明,该合金在1160℃/120 MPa条件下的蠕变寿命为206 h.稳态蠕变期间,位错在基体中滑移和攀移越过筏状γ'相是合金的变形特征,基体中溶解的高浓度难熔元素可增加位错运动阻力.蠕变后期,切入筏状...     

镍基单晶高温合金微观孔洞缺陷研究进展

微观孔洞是镍基单晶高温合金的主要缺陷之一,会显著降低合金的力学性能,因此一直是高温合金领域的研究重点。总结了单晶高温合金中包含显微疏松和固溶微孔在内的微观孔洞缺陷形成机制,并分析了抽拉速度、温度梯度和合金成分等因素对显微疏松形成的影响规律。综述了热等静压对显微疏松的消除机制及其对力学性能的改善作用。     

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。     

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。     

孔洞形态对镍基单晶合金蠕变行为的影响

通过蠕变性能测试及组织形貌观察,研究不同形态孔洞缺陷对单晶镍基合金蠕变性能的影响,针对合金中存在有/无裂纹孔洞等铸造缺陷,对高温蠕变期间近有/无孔洞区域的应力分布进行有限元分析,根据拉应力载荷下近孔洞区域的微观应力分布特性,分析不同形态孔洞区域应力分布对单晶合金蠕变行为及组织演化的影响.结果表明:在高温蠕变期间,近有/无裂纹孔洞区域的应力分布对合金中)γ'相筏形化的形态有明显影响,在有/无裂纹孔洞两侧极点处,存在最大应力值,且可致使其裂纹沿垂直于应力轴方向发生萌生与扩展;与无裂纹孔洞相比,在有裂纹孔洞两侧的极点处应力值较大,随着蠕变的进行,在较大应力处易于发生裂纹的扩展是合金具有较低蠕变寿命的主要原因.     

GH37镍基高温合金蠕变裂纹扩展行为

本文研究了GH37镍基合金在静载荷下的裂纹扩展行为,试验温度范围为590—750℃.结果表明,在应力强度因子一定时,蠕变裂纹扩展速度(dα/dt)随温度升高而增加.低应力强度因子区域的dα/dt,在750℃时反而比730℃低,在真空中比空气中低.最后对断口形貌进行了仔细分析,并对蠕变裂纹扩展机制以及氧的影响进行了讨论.     

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。     

一种2%Ru镍基单晶合金的高温蠕变行为及断裂特征

通过蠕变性能测试和组织形貌观察,研究了一种新型2%Ru镍基单晶高温合金的蠕变行为及断裂特征。结果表明,合金在1 070～1 100℃、127～147 MPa条件下具有较好的蠕变性能,合金在稳态蠕变阶段的表观蠕变激活能Q=410.5 kJ/mol,应力指数n=4.74。合金在蠕变稳态阶段的变形机制是位错在基体中滑移和攀移越过γ′相,蠕变后期,位错可剪切进入γ′相。在高温/低应力条件下,合金中的γ′相可形成筏状组织,裂纹由筏状γ′相与基体相界面处萌生,随裂纹扩展、聚集、连通,合金蠕变抗力急剧下降,最终导致合金蠕变断裂。     

含Re/Ru镍基单晶合金的高温蠕变行为和损伤特征

通过蠕变性能测试和组织观察,研究4.5％Re/3％Ru镍基单晶合金在高温的蠕变行为和损伤特征.结果表明:测定出该合金在(1100℃,140 MPa)下的蠕变寿命为476 h.合金在高温稳态蠕变期间的变形机制是位错在γ基体中滑移和攀移越过筏形γ′相,在蠕变后期的变形机制是位错在基体中滑移和剪切筏状γ′相.其中,剪切进入γ...     

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．