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...     

第二取向对镍基单晶高温合金DD33热疲劳性能的影响

选用不同第二取向的第三代镍基单晶高温合金DD33板式试样进行热疲劳实验,研究了第二取向对单晶高温合金热疲劳性能的影响和不同第二取向样品的热疲劳裂纹扩展动力学。结果表明:第二取向严重影响合金的热疲劳性能。两种第二取向样品,其热疲劳裂纹萌生位置和扩展方向明显不同。在第二取向[100]的样品中,热疲劳裂纹在与定向凝固方向呈45°的孔壁处萌生并沿与定向凝固方向呈45°方向扩展;而在第二取向为[110]的样品中,热疲劳裂纹优先在与定向凝固方向垂直的孔壁处萌生并沿定向凝固方向扩展且裂纹萌生及扩展速度都明显快于第二取向[100]的样品。     

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     

IN738LC镍基高温合金高温蠕变疲劳性能研究

在对ＩＮ７３８ＬＣ合金的含保载低周疲劳试验中发现，蠕变变形的增加导致了疲劳寿命的降低，在对试样的微观检验中未见有典型晶界孔洞型蠕变损伤，而多见的碳化物及晶界的氧化，所有的裂纹都在试样表面萌生并沿着扩展，因此，在蠕变载荷下晶界氧化是一种可能的蠕变损伤，这里运用Ｄａｎｚｅｒ关系讨论了损伤的机理，并对实验结果进行了较理想的解释。     

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。     

镍基单晶高温合金凝固缺陷研究进展

镍基单晶高温合金的凝固缺陷对其力学性能有很大的影响,减少和控制凝固缺陷对提高合金性能和降低成本具有重要意义.综述了镍基单晶高温合金定向凝固过程中可能出现的几个重要缺陷,包括缩松、雀斑、晶体取向的偏离和杂晶,重点讨论了这些缺陷的特点和产生的机理,并从合金成分、工艺参数、铸件结构等方面分析了凝固缺陷的影响因素,指出了减少单晶高温合金凝固缺陷的措施.     

镍基单晶高温合金DD403显微偏析

采用选晶法在改进型Bridgman定向凝固炉中制备镍基单晶高温合金DD403,利用电子探针(EPMA)技术研究了DD403合金在枝晶生长条件下的显微偏析。结果表明,随着抽拉速率增加DD403的偏析程度逐渐加剧。偏析于枝晶间元素Al、Ti和枝晶干元素Co、W的偏析程度随着抽拉速率的增加而增大,而合金元素Mo和Cr的偏析比接近于1,基本不存在偏析,且偏析比随抽拉速率增加没有明显变化。研究结果同时表明,随着抽拉速率增加DD403的共晶含量逐渐增加。     

一种镍基单晶高温合金的表面再结晶研究

采用X射线衍射、金相及扫描电镜,研究了一种镍基单晶高温合金再结晶的产生以及再结晶层的组织变化。结果表明在铸态γ'相溶解温度以下,再结晶是以不连续有胞状形式发生的;在此温度以上,再结晶主要形成结晶晶粒。进一步提高温度,再结晶晶粒聚集长大,再结晶层以连续的方式向内生长。铸态γ'相的溶解是形成再结晶晶粒的重要条件。     

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...     

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。     

Low cycle fatigue modeling for nickel-based single crystal superalloy

The low cycle fatigue (LCF) characteristics of nickel-based single crystal (SC) superalloy have been experimentally and numerically investigated. The effects of crystallographic orientation, load ratio and stress concentration are studied. In order to model the effect of crystallographic orientation, a new orientation factor, which is relevant to the yield strength, is constructed. On the other hand, a new asymmetrical loading factor is introduced to describe the effect of load ratio. The LCF model for SC superalloy smooth specimen is established with these new damage parameters. The effect of the strain gradient on the LCF life of SC superalloy is further studied, which is applied to the evaluation of the LCF life of SC superalloy notched specimen. The LCF model proposed is validated by the experimental data of SC superalloy DD3 and PWA1480.     

检验腐蚀对镍基单晶高温合金高周疲劳性能的影响EI北大核心CSCD

为了研究检验腐蚀对一种镍基单晶高温合金高周疲劳性能的影响,将经过标准热处理的试样置于FeCl 3+HCl+H 2O腐蚀剂中分别腐蚀2次和4次,采用莱卡DCM8共聚焦显微镜和扫描电镜对未腐蚀、2次与4次腐蚀试样的表面形貌进行观察,然后分别测试未腐蚀和4次腐蚀试样760℃与980℃的旋转弯曲疲劳性能。结果表明:未腐蚀试样表面存在纵向且相互平行的由抛光带来的细小抛痕,表面粗糙度低;2次腐蚀后,表面抛痕有所减少,枝晶间区域出现腐蚀坑,表面粗糙度增加;4次腐蚀后,表面抛痕被完全腐蚀掉,腐蚀坑深度和表面粗糙度进一步增加。4次腐蚀会略微降低合金760℃的疲劳性能,但对高应力幅条件下的疲劳寿命影响较大,对低应力幅条件下的疲劳寿命影响较小。4次腐蚀对合金980℃疲劳性能影响很小。     

Crystallographic analysis on small fatigue crack propagation behaviour of a nickel-based single crystal superalloy

In situ observations by scanning electron microscopy show that small fatigue cracks in a nickel-based single crystal superalloy are inclined to the loading direction and propagate in dominant crystallographic manners. In order to evaluate the driving forces for inclined crack propagation, three-dimensional anisotropic linear elastic finite-element analysis is conducted. The plastic zone size on the dominant slip plane has been calculated and proposed to correlate the fatigue crack growth. It is shown that this parameter takes into account both material anisotropy and octahedral fracture modes, and it can effectively characterize small crack propagation behaviour.     

Microstructure evolution and analysis of a single crystal nickel-based superalloy during compressive creep

During compressive creep, the cubical γ′ phase in [0 0 1] orientation single crystal nickel-based superalloy is transformed into the rafted structure along the direction parallel to the applied stress axis. By means of the elastic stress-strain finite element method (FEM), the von Mises stress distributions of the cubical γ′/γ phases are calculated for investigating the influence of the applied stress on the stress distribution and the directional coarsening regularity of γ′ phase. Results show that the stress distribution of the cubical γ/γ′ phases may be changed by the applied compressive stress, and the coarsening orientation of γ′ phase is related to the von Mises stress distribution of the γ matrix channel. Thereinto, under the action of applied compressive stress, the bigger von Mises stress produced on (0 0 1) plane of the cubical γ′ phase is thought to be a main reason of the microstructure evolution. The expression of the driving force for the elements diffusion and the directional growing of γ′ phase during compressive creep are also proposed.     

镍基单晶合金CMSX-6的再结晶行为及热裂倾向

在不同热处理温度和载荷下,研究了CMSX-6单晶的再结晶现象。结果表明:在低于1 150℃×4 h热处理后,没发现再结晶现象,但在载荷的作用下,单晶退火时γ'相形成元素自发偏析,造成大量的大颗粒γ'相在共晶周围析出;随着热处理温度升高,载荷影响区再结晶经历由压痕周围胞状再结晶、枝晶干再结晶、多个等轴再结晶三个阶段;在高于1 150℃×4 h热处理时,单晶随着载荷的增加,再结晶的范围和深度明显增大;以及随冷却速率的增加,再结晶晶粒之间的热裂倾向增大,致使大量热裂沿晶界分布。     

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。     

Ru对第四代镍基单晶高温合金DD22长期时效组织演化的影响EI北大核心CSCD

利用透射电镜和场发射扫描电镜研究了两种不同Ru含量(3%和5%,质量分数)的第四代镍基单晶高温合金DD22在1130℃长期时效过程中γ′相形貌演化、TCP相析出和界面位错网的演化情况。研究结果表明:在完全热处理后5Ru合金比3Ru合金的γ′相尺寸更小,形状更规则,γ/γ′相界面的错配度更大,高Ru含量使合金Re,Mo等元素出现反分配现象;5Ru合金在1130℃长期时效过程中γ′相粗化速率、溶解速率和形筏速率均低于3Ru合金;5Ru合金在长期时效1000 h后仍没有TCP相析出,而3Ru合金在时效50 h后便析出TCP相,随着长期时效时间延长,TCP相数量增多,尺寸增大;与3Ru合金相比,长期时效1000 h后5Ru合金γ′/γ界面位错网更加致密和规则;综上所述,Ru的元素反分配作用和低的扩散系数使5Ru合金比3Ru合金表现出更高的组织稳定性。     

Influence of surface recrystallization on the low cycle fatigue behaviour of a single crystal superalloy

This paper investigated the effect of surface recrystallization (RX) on the low cycle fatigue (LCF) behaviour of a single crystal (SX) superalloy. LCF tests on both raw and recrystallized samples showed that fatigue life was significantly reduced by surface RX. Fractography indicated that fatigue cracks initiated from the casting defects in RX layer and multiple crack initiations were commonly observed. Moreover, RX grains exhibited predominantly transgranular cracking, in contrast to the intergranular fracture reported in literature. The fatigue crack propagation behaviour was discussed in light of fracture mechanics and crack growth life model. The fatigue cycles required to penetrate RX layer were estimated to be about one magnitude lower than that in forming an equivalent crack in SX specimens. It is suggested that the earlier crack initiation and promoted crack propagation in RX layer, as well as the trend of multiple initiations, are responsible for the fatigue degradation by RX.     

Crystallographic orientation and temperature effects on the fatigue crack growth rate and resulting fracture surface morphology in PWA1484 single crystal superalloy

This research looked at the effect of crystallographic orientation and temperature on the fatigue crack growth rate and the resulting fracture surface morphology in PWA1484 single crystal superalloy. Two groups of single edge notch tension specimens, one group with controlled secondary orientations and one group with uncontrolled secondary orientation, were tested at temperatures from 649°C to 982°C at R‐ratios of 0.1 and 0.7. It was found that the effect of temperature on the crack growth rate becomes more pronounced as the crack driving force increases while the secondary orientation and R‐ratio effects on the crack growth rate increase with increasing temperature. Two types of crack surface morphology were seen during fractography. The first was a precipitate avoidance (γ′ avoidance) morphology that was rolling but still predominantly flat when observed on a larger scale. In <001> primary oriented specimens, this fracture mode tended to follow the precipitate/matrix faces (microscopically cubic) while macroscopically staying essentially normal to the applied loads. The second mode was a form of cleavage (γ′ shearing) and occurred predominantly on octahedral crystallographic planes.     

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。