镍基单晶高温合金力学性能各向异性的研究进展

镍基单晶高温合金凭借优良的高温力学性能和组织稳定性而成为目前制造先进航空发动机和燃气轮机叶片的主要材料,其力学性能各向异性对涡轮叶片的服役性能和安全可靠性至关重要,受到叶片设计师和制造专家的高度重视。为了满足更严苛的使用要求,国内外都在不断研发新型的镍基单晶高温合金来提升叶片承温能力,但是对新型合金力学性能各向异性的研究还不是很全面,对新添加元素的作用机理也有待进一步的研究。近些年来,国内外相关研究表明,镍基单晶高温合金力学性能各向异性与温度、应力等因素有关,不同的单晶合金表现出不同的规律。镍基单晶高温合金的拉伸性能具有明显的各向异性,随着温度的升高,其原子扩散能力增强,开动滑移系的数量增多,拉伸性能的各向异性减弱。随着合金成分中难熔元素含量的增加,滑移系的位错交截概率或变形协调性发生变化,合金表现出不同的拉伸性能各向异性。在中温高应力条件下,合金蠕变性能存在显著的各向异性。随着应力的升高,[001]取向的蠕变性能显著降低,[111]取向变化较小,这与应力变化对滑移系数量的影响有关。随着难熔元素含量的增加,合金不同取向滑移系的开动和层错的形成更容易,从而影响蠕变性能的各向异性。在高温低...     

单晶镍基高温合金CMSX-486

Cannon- Muskegon Corp.公布了一个具有改进蠕变持久强度的单晶镍基高温合金 CMSX- 486。该合金的化学成分为 9. 3%Co,8. 6%W,5 . 7%Al,5 %Cr,3%Re。并通过 B,C,Hf,Zr含量的最佳匹配 ,实现合金的晶界强化。它设计为铸态使用 ,能使复杂铸件的实收率大幅度提高 ,而不存在固溶热处理的再结晶问题。单晶高温合金零件改进的性能是优良的抗热疲劳、抗低周疲劳和抗氧化性能的结果。这类合金零件也具有高的蠕变强度 ,特别是在叶片前后缘处没有横向晶界对其性能十分有利单晶镍基高温合金CMSX-486@全宏声…     

镍基单晶合金多轴非比例加载低周疲劳单胞模型

在680和850℃下对DD3镍基单晶合金进行多轴非比例加载低周疲劳试验,结果表明等效应变范围△ε_e、试验温度、等效应力范围△σ_e对单晶合金的低周疲劳寿命有显著影响。基于能量耗散理论,引入参量k表征多轴非比例加载对疲劳寿命的影响,构造循环塑性应变能作为损伤参量,建立镍基单晶合金低周疲劳寿命预测模型。参量k与循环寿命之...     

图像测量标定法及其应用

论述了图像测量标定法，并将其用于镍基单晶高温合金DD3的热机械疲劳断口结晶学小面取向的测定，发现断口结晶学小面取向为（111）时，材料具有较高的热机械疲劳寿命，而结晶学小面取向为（001）时，材料的热机械疲劳寿命较低。     

DD3单晶合金高温蠕变、疲劳及其交互作用机制

研究不同温度、不同应力下DD3单晶合金不同取向的疲劳、蠕变及疲劳-蠕变交互作用机制.结果表明:给定的实验条件下,DD3单晶的疲劳、蠕变及其交互作用均具有明显的各向异性,均以[111]取向的寿命最长,[001]取向次之,[011]取向最短,在相同温度和应力条件下以疲劳时的各向异性程度最为显著;DD3单晶具有较强的抗蠕变能力和相对较弱的抗疲劳能力,疲劳-蠕变交互作用中蠕变起主要作用.     

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。     

铸造高温合金单晶叶片晶粒度选择器模料的研制

1.前言 随着航空发动机性能的不断提高,对航空涡轮发动机部件(包括涡轮盘、涡轮叶片)工作寿命的要求也在提高。国外研制了柱状晶材料、单晶材料、共晶复合材料等,并且进行了柱状晶、单晶叶片生产方法的研究工作。采用单晶涡轮叶片可以延长发动机的使用寿命和降低燃油消耗率。单晶涡轮叶片的制造方法在欧美和苏联已经用于工业生产。 我们从1981年开始研制铸造镍基高温合金     

燃气涡轮叶片的服役损伤与修复

涡轮叶片是燃气轮机最重要的热端部件之一。它长期在不均匀的温度场、应力场以及燃气腐蚀和高温氧化的环境下工作,面临着蠕变、低周疲劳和高温腐蚀等多种失效威胁。系统地研究涡轮叶片在服役过程中的组织损伤与性能退化规律是揭示其失效机理、探索适宜的恢复热处理工艺以延长涡轮叶片使用寿命的必然途径。对目前已有的涡轮叶片服役损伤研究进行了总结,同时结合本课题组对不同类型的涡轮叶片长期服役后（空中飞行时间：1 200 h~20 000 h）组织和性能损伤评估的研究结果,对存在的各种服役组织损伤形式进行了归类和介绍,主要包括涂层的退化、拓扑密排相（TCP）的析出、二次反应区（SRZ）的形成,γ′相的粗化与筏排化,碳化物的分解与析出,蠕变孔洞与裂纹的形成等。此外,还总结了前人研究的服役涡轮叶片性能退化规律以及恢复热处理工艺。热端部件服役损伤的研究对燃气轮机关键部件的寿命管理和安全服役具有重要的指导意义和经济意义。     

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.     

镍基单晶涡轮叶片弹塑性应力晶体取向优化

对镍基单晶涡轮叶片的晶体取向进行弹塑性优化分析,结果显示叶片考核点的应力应变为晶体取向的函数。通过对晶体取向的优化,对给定叶片考核点的等效应力最多可下降约8%。单晶叶片应力应变与晶体取向相关,充分利用晶体取向对单晶叶片力学性能的影响,合理控制晶体铸造取向,能够较大地提高单晶涡轮叶片力学性能。通过控制晶体的生长方向可以降低涡轮叶片关键部位的应力和应变,延长其使用寿命。     

不同元素对镍基合金铸态组织的影响

镍基单晶高温合金是一种应用于航空发动机涡轮叶片的重要合金,镍基单晶高温合金能够在航空发动机涡轮叶片工作时的恶劣工况条件下获得良好的使用性能。镍基单晶高温合金的性能与镍基单晶高温合金的凝固组织有着密切的联系,为获取更好的使用性能需要了解不同元素对镍基单晶高温合金铸态组织的影响,并以此为基础开发出性能更好的镍基单晶高温合金用,以提高航空发动机的性能。     

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。     

镍基单晶高温合金晶体取向的选择及其控制

镍基单晶高温合金是航空发动机和燃气轮机叶片的重要材料,该合金具有<001>的择优取向。回顾了镍基单晶高温合金晶体取向与单晶铸件高温力学性能的关系,不同取向单晶的高温拉伸性能、抗蠕变、低周疲劳等性能均明显不同。<001>方向具有较高的综合力学性能。结合作者在本领域的研究,发现不同取向的枝晶生长规律不同,<011>取向的枝晶在纵截面上枝晶干呈"V"或"W"形状,横截面上枝晶干呈直线排列,同时不同取向的枝晶间距和溶质元素偏析程度不同。总结了选晶过程中引晶段和螺旋段在单晶制备中的作用,晶体取向决定于引晶段的选晶效果,螺旋段的主要作用为确保获得单一的晶粒;分析了籽晶法单晶制备过程中晶体取向对晶体生长的影响及造成取向偏离的一些因素。展望了镍基单晶高温合金晶体取向的研究发展方向。     

镍基单晶高温合金的再结晶

镍基单晶高温合金作为先进发动机叶片的主要用材,其再结晶问题日益受到重视.本文综述了热处理温度、热处理时间、变形程度及合金成分等多种因素对镍基单晶高温合金再结晶的影响规律,分析了镍基单晶高温合金再结晶对其蠕变和疲劳性能的影响,并讨论了回复处理及浸蚀直接去除表面变形层、渗碳和表面涂层等控制再结晶的方法.最后,指出了镍基单晶...     

物理冶金信息指导机器学习的镍基单晶高温合金蠕变寿命预测

蠕变寿命是影响镍基单晶高温合金材料服役寿命和力学性能的关键材料参数。因此,如何准确有效地预测合金的蠕变寿命具有重要现实意义。尽管多年来许多研究学者已经建立起多种蠕变寿命的预测模型,但是由于不同温度应力下的蠕变机制复杂且蠕变过程涉及长时间的显微组织演化,已有模型尚难以实现有效预测。对此,采用物理冶金原理指导下的数据挖掘结合机器学习这一研究策略,通过文献调研建立起了高温低应力下的镍基单晶合金的高质量蠕变数据集,在物理冶金原理指导下对原始数据进行挖掘,提高了原始数据的内在质量,并基于Pearson系数和随机森林平均精确度降低值分别对原始数据特征进行了相关性分析和重要性评估,表明所建立的数据集符合基本的物理冶金学机制,同时阐明了引入的三维物理冶金信息对于蠕变寿命预测的重要意义。随后,基于机器学习方法在数据挖掘后的数据集上对合金的蠕变寿命进行了预测,并根据平方相关系数(R²)、平均绝对误差(MAE)和过拟合程度评估了不同的机器学习模型。结果表明,支持向量回归(SVR)模型在本研究中具有较好的泛化能力且不容易过拟合,同时结合了物理冶金信息的机器学习模型拥有更好的预测准确性和泛...     

镍基单晶合金蠕变第一阶段性能晶体取向相关性研究

根据镍基单晶合金材料细观结构的定向特点，提出了分析蠕变第一阶段性能晶体取向相关性的细观单元模型。对由晶格错配度和热不协调性所产生的内应力进行了模型分析，用镍基单晶合金ＤＤ３单晶平板８５０和９５０℃实验测量了内应力的宏观响应，并在推导一解析解的基础上，确定模型参数，给合（００１）、（０１１）、（１１１）取向圆棒拉伸试样试验和晶体滑移有限元蠕变分析表明，蠕变第一阶段的晶体取向相关性可以归于以下三个因素     

先进镍基单晶高温合金蠕变行为的研究进展

先进镍基单晶高温合金具有优良的成分兼容性,在1 000℃以及更高温度下仍能保持较高的组织稳定性、抗蠕变性、抗疲劳性、抗氧化性和抗腐蚀性能,被广泛应用于现代航空发动机和地面燃气轮机的涡轮叶片等关键热端部件。在服役过程中,镍基单晶高温合金主要发生涡轮叶片旋转造成的蠕变及疲劳变形。另外,现代航空发动机对涡轮进口温度的要求不断提升,使得镍基单晶高温合金的承温承载能力面临着更大的挑战。长期以来,材料科研工作者尝试了许多方法来提升镍基单晶高温合金的蠕变性能:在镍基单晶高温合金中添加了大量的难熔元素(W、Cr、Mo、Re等),降低了元素的扩散速率,从而提高了合金的固溶强化水平;添加了γ'相形成元素(Al、Ti、Ta),形成金属间化合物γ'沉淀相,利用γ'沉淀相与γ基体相之间的相干应变、有序化,以及弹性模量和堆垛层错能差异等沉淀强化机制,提高合金的强度;通过调整热处理制度,进一步优化沉淀相的尺寸、形态以及体积分数,最大化沉淀强化效果;通过调整Mo与Re的含量,提高γ'沉淀相与γ基体相的错配度,细化γ/γ'界面位错网间距,强化γ/γ'相界面强度,提高镍基单晶高温合金的蠕变抗力;同时加入适量的Pt族金属元素,抑制了TCP有害相的析出,进一步稳定了合金组织。然而,镍基单晶高温合金中元素的合金化程度已很高,在CMSX-10中难熔元素的含量高达20.5%,这已经接近镍基体的溶解度极限;同时,也带来了其他一系列问题:组织不稳定性(包括凝固缺陷析出倾向的增加、TCP相的析出)以及合金密度和成本的增加。另外,对于第四代及其后续的镍基单晶高温合金的设计,除依赖提高难熔元素含量和加入铂族元素稳定组织外,并无其他公开、有效的措施。现行措施也与现代工业追求低密度、低成本、环境友好的理念背道而驰。因此,深入认识镍基高温合金成分-组织-结构-性能之间的内在联系十分重要,亟待突破现有的合金设计理论。本文试图从最重要的长时力学性能之一的蠕变性能出发,分别对镍基单晶高温合金成分、组织结构、蠕变行为特点等方面进行了阐述,重点探讨了固溶元素、γ'体积、尺寸、形态、γ/γ'界面、堆垛层错能(SFE)、反相畴界能(APB)等因素对蠕变行为、蠕变机制的影响规律,分析了镍基单晶高温合金蠕变行为研究面临的问题,并展望其研究前景,以期能够深入理解单晶高温合金的强韧化机理,为新一代镍基单晶高温合金的设计提供一些思路。     

镍基单晶高温合金杂晶缺陷的研究进展

随着单晶涡轮叶片结构的不断优化和高温合金中难熔元素添加量的增大,镍基高温合金单晶叶片在凝固过程中更易出现杂晶、条纹晶、枝晶碎臂、小角度晶界等缺陷。其中,杂晶是单晶叶片制备过程中最常见的一类凝固缺陷,严重影响单晶叶片的成品率。为了减少该类凝固缺陷的产生,提高叶片的成品率,研究镍基单晶高温合金杂晶缺陷的形成机制、影响因素及其控制措施,对提高单晶叶片的服役性能具有重要意义。因此,关于定向凝固过程中杂晶缺陷的形成机制、影响因素及其控制措施的研究,引起了国内外研究者的广泛关注。本文综述了单晶叶片的制备技术,分析了籽晶法和选晶法制备单晶叶片过程中不同位置杂晶的形成机理,分别讨论了选晶段杂晶、籽晶回熔区杂晶、缘板杂晶的影响因素和控制措施,并对未来的研究方向进行了展望。     

DD6单晶合金蠕变特性及断裂机理

在500MPa、900℃和300MPa、1000℃两种环境条件下,通过实验研究了[001]、[011]、[111]三种取向的镍基单晶合金DD6的蠕变特性及断裂机理。结果表明:DD6单晶高温合金蠕变性能具有明显的晶体取向相关性,在相同的温度和应力条件下,三种取向的单晶合金寿命差别很大,温度是影响[001]取向单晶合金蠕变寿命的主要因素,而应力则是影响[011]和[111]取向单晶合金蠕变寿命的主要原因。同时,晶体取向和实验条件的不同,都会使最小蠕变率发生变化,随着温度的升高,不同取向晶体的各向异性减弱,相同条件下,[111]取向最大蠕变量最大,[001]取向次之,[011]取向最小。而晶体取向对断裂机理有直接的影响,[001]、[111]取向DD6单晶合金的断裂是由微孔引起的断裂,[011]取向的DD6单晶合金在900℃、500MPa条件下的蠕变断裂为滑移断裂,1000℃、300MPa条件下的断裂为滑移面断裂和韧窝断裂二者兼有的混合型断裂。     

Ru对镍基单晶高温合金凝固特性、TCP相析出及蠕变性能影响的研究进展EI北大核心CSCD

镍基单晶高温合金因优异的高温力学性能而被广泛应用于航空发动机和地面燃气轮机的涡轮叶片等关键热端部件。Ru元素作为第四代、第五代镍基单晶高温合金的主要特征元素,其添加对合金从凝固特性到最终的服役性能都起到关键的影响。本文从镍基单晶高温合金的凝固特性、凝固组织、TCP相析出及蠕变性能等方面出发,综述了Ru元素对镍基单晶高温合金影响的研究进展,系统分析了Ru的添加对合金凝固路径、凝固特征温度、微观偏析等凝固特性及共晶、碳化物等凝固组织的影响规律,并重点探究了Ru的添加能抑制TCP相析出及提高合金蠕变性能的原因。目前由于多组元交互作用对组织与性能影响机理的复杂性,使得含Ru高温合金的成分设计与优化具有更高的挑战,建议未来含Ru高温合金的相关研究从富Ru新相的析出原因及抑制、Ru添加对凝固缺陷的影响及Ru与其他元素交互作用对“逆分配”效应及TCP相析出的影响机制等方面做进一步探究,为发展新型高性能含Ru高温合金的设计提供思路。