一种第三代单晶高温合金中高温横向持久性能EI北大核心CSCD

研究一种镍基第三代单晶(single crystal,SC)高温合金在760℃/800 MPa,980℃/250 MPa与1100℃/137 MPa条件下的横向持久性能。结果表明:在760℃/800 MPa,980℃/250 MPa与1100℃/137 MPa条件下,该合金横向持久寿命与伸长率均低于纵向;横向与纵向持久断裂后的位错组态特征一致,760℃/800 MPa条件下断裂后γ′相中存在相交的层错,而1100℃/137 MPa条件下断裂后γ/γ′相界面形成位错缠结与高密度位错网;横向与纵向在760℃/800 MPa条件下为类解理断裂与韧窝断裂的混合断裂,而在980℃/250 MPa与1100℃/137 MPa条件下为韧窝断裂;第一代单晶高温合金DD3、第二代单晶高温合金DD6与本研究的第三代单晶高温合金中高温横向持久断裂机制基本一致;外应力方向垂直于定向凝固过程形成的一次枝晶间界面,是横向持久性能低于纵向的主要原因。     

一种第三代单晶高温合金中高温横向持久性能

研究一种镍基第三代单晶(single crystal, SC)高温合金在760℃/800 MPa,980℃/250 MPa与1100℃/137 MPa条件下的横向持久性能。结果表明:在760℃/800 MPa,980℃/250 MPa与1100℃/137 MPa条件下,该合金横向持久寿命与伸长率均低于纵向;横向与纵向持久断裂后的位错组态特征一致,760℃/800 MPa条件下断裂后γ′相中存在相交的层错,而1100℃/137 MPa条件下断裂后γ/γ′相界面形成位错缠结与高密度位错网;横向与纵向在760℃/800 MPa条件下为类解理断裂与韧窝断裂的混合断裂,而在980℃/250 MPa与1100℃/137 MPa条件下为韧窝断裂;第一代单晶高温合金DD3、第二代单晶高温合金DD6与本研究的第三代单晶高温合金中高温横向持久断裂机制基本一致;外应力方向垂直于定向凝固过程形成的一次枝晶间界面,是横向持久性能低于纵向的主要原因。     

单晶高温合金DD6的中温横向持久性能

在800,850,900℃的温度条件下,对第二代单晶高温合金DD6的横向持久性能进行了研究.结果表明:与相同条件下的纵向即[001]取向持久性能相比,合金横向持久寿命低于纵向持久寿命.在相对较高温度下,合金横向与纵向的持久寿命在数值上相差较小;在相对较低温度下,合金横向持久寿命明显低于纵向.随着实验温度的升高,扩散蠕变作用增强,韧窝断裂的倾向增加,同时枝晶间和枝晶干变形均匀,横向持久性能相对提高而接近于纵向持久性能.垂直于应力轴的一次枝晶界和枝晶间区域的存在,是横向持久性能低于[001]取向的主要原因.     

小角度晶界对单晶高温合金DD6拉伸性能的影响

采用两个籽晶制备了第二代单晶高温合金DD6小角度晶界试样,在800,850,900,950℃的条件下,进行了拉伸实验研究.结果表明:小角度晶界对合金仲长率有显著影响;在850℃,小角度晶界试样具有最大的伸长率:高于850℃,随着温度的升高小角度晶界试样伸长率具有明显下降倾向.小角度晶界对合金抗拉强度的影响较小;除角度大于约9°的小角度晶界外,相同实验温度条件下小角度晶界试样的抗拉强度大致相当.随着温度的升高和晶界角度的增大,小角度晶界强度降低而成为相对较为薄弱部位,从而导致拉伸性能的降低.     

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.     

再结晶对DD6单晶高温合金轴向高周疲劳性能的影响

为了研究再结晶对二代单晶高温合金DD6高周疲劳性能的影响,对标准热处理的DD6合金进行表面吹砂处理,然后分别在1120℃和1315℃保温4h,以获得不同类型的再结晶组织。在疲劳试验机上分别测试了光滑和含再结晶的DD6合金试样在1070℃的轴向高周疲劳寿命。采用SEM观察DD6合金再结晶组织及疲劳断口。结果表明:胞状再结晶和等轴再结晶降低了DD6合金的轴向高周疲劳性能,胞状再结晶作用小于等轴再结晶;含再结晶的DD6合金试样的轴向高周疲劳断裂机制为类解理断裂和枝晶间的局部韧窝断裂共存的混合断裂;再结晶使DD6合金试样变为多源疲劳断裂。高温条件下,再结晶晶界的存在加快合金试样的氧化损伤,显著缩短早期疲劳裂纹的萌生和扩展时间,降低合金的轴向高周疲劳性能。     

[011]取向DD6单晶高温合金薄壁持久性能

采用薄壁试样研究了760,980,1070℃条件下[011]取向第二代单晶高温合金DD6的持久性能.结果表明:与标准试样(直径5mm)相比,DD6单晶高温合金薄壁试样的持久寿命与之相当.对合金760℃/590MPa,980℃/270MPa及1070℃/270MPa条件下组织分析发现:760℃合金γ’相局部发生变形,98...     

DD3单晶高温合金的中温横向持久性能

本文对DD3单晶高温合金的中温横向持久性能的各向异性作了研究。采用横向试样研究取向度对横向持久性能的影响,比较接近用引晶法生产的叶片的真实横向性能。现已发现,结晶取向对DD3单晶合金中温持久性能的影响,不论在纵向或横向都遵循相同的规律。影响横向中温持久性能的主要因素是横向的结晶取向;应力轴平行或垂直于一次枝晶干对DD3合金的中温持久性能的影响比较小。在760℃时,取向对持久性能的影响比850℃下更为显著。应力方向靠近[100]时,DD3合金760℃横向持久强度达σ_(>100)~(760)=80kg/mm~2;而当应力方向靠近[101]时,760℃横向持久强度仍保持σ_(>100)~(760)=54kg/mm~2,为纵向性能的2/3,亦能充分满足发动机设计对叶片横向性能的要求。     

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。     

长期时效对DD6单晶高温合金组织和力学性能的影响

采用螺旋选晶法制备DD6合金单晶试棒,标准热处理后在980℃长期时效2000 h,研究980℃长期时效对DD6单晶高温合金的组织演化及力学性能的影响.结果表明:随着长期时效时间的延长,合金中γ'相的尺寸增大,2000 h后γ'相尺寸约为1μm,没有TCP相析出,合金具有较好的组织稳定性.2000 h长期时效试样在980℃/243 MPa下持久寿命为180.16 h,为热处理态的56.3％;在1070℃/130 MPa下持久寿命为144.42 h,为热处理态的35.31％,断裂模式均为微孔聚集型断裂;相比热处理态的合金,2000 h长期时效态试样760℃的抗拉强度和屈服强度分别降低5.55％和5.88％;980℃的抗拉强度和屈服强度分别下降11％和10.59％.     

喷丸对DD6单晶高温合金拉伸性能的影响

采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线(X-ray)和透射电子显微镜(TEM)等手段研究铸钢丸喷丸对第二代单晶高温合金DD6在500,600,650℃拉伸性能的影响。结果表明:500,600,650℃时,喷丸对DD6合金抗拉强度影响不大,略微提高屈服强度,显著降低伸长率和断面收缩率。喷丸DD6合金在流变应力上升到最高点后断裂,试样拉伸断裂后的横截面为圆形;未喷丸DD6合金拉伸曲线呈现双重阶段特征,试样拉伸断裂后的横截面为椭圆形。     

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。     

一次枝晶间距对DD26单晶高温合金持久各向异性的影响

研究了取向对高速冷却法(DD26-HRS)和液态金属冷却法(DD26-LMC)制备的DD26单晶高温合金760℃/670 MPa条件下持久性能的影响。结果表明,DD26-HRS合金一次枝晶间距明显大于DD26-LMC合金,而且DD26-HRS合金持久各向异性更为严重。位错形貌显示靠近[001]-[012]边界试样变形以基体内多滑移为主。由于DD26-HRS合金γ′相尺寸较大,抑制了层错带剪切γ′相的变形机制,从而使得DD26-HRS合金持久寿命高于LMC合金。然而,靠近[001]-[112]边界试样变形以单方向层错剪切γ′相为主,基体内开动的位错较少,DD26-HRS合金枝晶间粗大的碳化物相周围易于位错的堆积,从而萌生裂纹并沿碳化物界面迅速开裂,造成DD26-HRS合金持久寿命低于DD26-LMC合金。     

镍基单晶高温合金小角度晶界的形成机制、影响因素与控制措施

镍基单晶高温合金被广泛用于制备先进航空发动机及工业燃气轮机的关键热端部件,随着铸件结构的复杂化和大型化以及合金中难熔元素的增多,凝固缺陷的形成倾向增大。其中,小角度晶界是定向凝固制备单晶高温合金铸件过程中经常出现的一类缺陷,它会破坏单晶的完整性,一旦超过容限就会对铸件的力学性能造成恶劣影响,随着单晶高温合金服役温度的不断提高,小角度晶界对性能的损害会更为严重。因此,小角度晶界日益成为镍基单晶高温合金发展和应用中需要解决的重要课题,受到国内外研究者的广泛关注。单晶中的小角度晶界与传统意义上的小角度晶界有所不同,是指相邻枝晶间的取向偏离。研究者们在不同晶界偏离角及不同温度条件下就小角度晶界对合金持久性能、蠕变性能及疲劳性能的影响进行了研究,结果发现:当偏离角较小时,小角度晶界对合金性能的影响并不明显,但是随着偏离角的增大及温度的升高,合金的性能均会降低。为了探寻有效的预防和控制措施,研究者们就小角度晶界的形成机制及影响因素进行了研究。关于小角度晶界的形成机制,被大家普遍认同的观点是:枝晶在分枝生长过程中发生了塑性变形,从而导致了枝晶的取向偏离,当枝晶再次汇聚时就会产生小角度晶界。但是,关于枝晶变形的原因则没有一致看法。另外,关于小角度晶界影响因素的研究还不是很系统,主要集中在合金成分及晶界强化元素、凝固参数及取向、铸件尺寸等方面。镍基单晶高温合金中的小角度晶界归根结底是由枝晶的取向偏离导致的,而取向偏离的影响因素复杂,因此小角度晶界的出现很难完全避免。目前,主要通过取向控制以减少小角度晶界的产生,并通过晶界强化以提高合金对小角度晶界的容限。本文阐明了单晶高温合金中的小角度晶界的概念,总结了小角度晶界对合金力学性能的影响,综述了小角度晶界形成机制的研究进展,分析了合金元素、微量元素、凝固条件和铸件结构等因素对小角度晶界形成的影响,在此基础上,提出了减少小角度晶界的措施和强化晶界的途径,最后就未来的研究方向进行了展望。     

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。     

近[001]取向DD6单晶高温合金980℃/250MPa持久性能各向异性研究

通过不同取向DD6单晶高温合金980℃/250MPa持久测试,研究了取向对980℃持久性能的影响。结果表明:[001]取向偏离主应力轴15°以内,DD6单晶高温合金980℃/250MPa持久寿命相当,没有各向异性。这主要是由于近[001]取向DD6单晶高温合金多个〈110〉{111}滑移系共同作用的结果。同时,原子扩散造成的γ′筏排和γ/γ′相界面形成的位错网也降低持久性能各向异性。     

Anisotropy of Stress Rupture Properties of DD6 Single Crystal Superalloy at 980℃/250MPa Near [001] Orientation

通过不同取向DD6单晶高温合金980℃/250MPa持久测试,研究了取向对980℃持久性能的影响.结果表明:[001]取向偏离主应力轴15°以内,DD6单晶高温合金980℃/250MPa持久寿命相当,没有各向异性.这主要是由于近[001]取向DD6单晶高温合金多个<110>{111}滑移系共同作用的结果.同时,原子扩散造成的γ’筏排和γ/γ’相界面形成的位错网也降低持久性能各向异性.     

单晶高温合金DD6不同状态下的元素分布与力学行为

选择3mm/min和8mm/min两种抽拉速率通过螺旋选晶法制备[001]方向的DD6单晶高温合金,测试合金枝晶间与枝晶干的元素分布,研究了两种工艺合金的持久性能和断裂特征;利用EPMA电子探针测试了3mm/min抽拉速率DD6合金经0.1%、0.2%、0.5%蠕变应变后枝晶间与枝晶干的元素分布,并通过纳米压痕仪测试了枝晶间与枝晶干的弹性模量和硬度。结果表明,抽拉速率较小时DD6合金枝晶组织更粗大,元素偏析程度较大,抽拉速率对合金持久寿命的影响不大;随着蠕变应变的增加,合金枝晶间与枝晶干弹性模量和硬度的差值逐渐增大,这与合金元素的再分布紧密相关,特别是与难熔元素Ta、Hf、Mo和Nb随着蠕变应变的变化而发生再分布有关。     

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...     

低Re含量第二代柱晶高温合金DZ59的蠕变断裂性能

采用液态金属冷却(LMC)工艺和成分优化设计,制备出一种高温性能优异的低Re含量第二代柱晶高温合金DZ59,通过扫描电镜(SEM),透射电镜(TEM)等方法对其组织特征及蠕变断裂进行了表征,研究了合金的蠕变断裂性能.结果表明,DZ59合金的高温蠕变断裂性能超过一代单晶合金,并接近二代单晶合金的水平.发现柱晶高温合金的二次晶界反应(SGRZ)现象,表明SGRZ受温度和应力的控制,由于增加了合金横向晶界的受力界面,在高负荷下可能成为蠕变空洞萌生和扩展的位置.