Influence of crystal orientation on cellular growth of a nickel-base single crystal superalloy

The cellular pattern evolution during directional solidification of a nickel-base single crystal superalloy has been studied in different crystallographic orientations using re-oriented seed crystals. Under the same thermal gradient and solidification velocity, the microstructures of differently oriented cellular single crystals are schematically investigated. It is concluded that the cellular growth direction is less affected by the seed orientation and depends on the heat flow, and is usually along heat flow direction. Cellular interface stability and microstructure are greatly influenced by the crystallographic orientation. When increasing the misorientation, the cell spacing increases correspondingly and the cellular growth interface becomes more unstable.     

Orientation dependence of shear banding in face-centered-cubic single crystals

We present crystal plasticity finite element simulations of plane strain compression of α-Brass single crystals with different initial orientations. The aim is to study the fundamentals of mesoscale structure and texture development in face-centered-cubic (fcc) metals with low stacking fault energy (SFE). Shear banding depends on the initial orientation of the crystals. In Copper and Brass-R-oriented crystals which show the largest tendency to form shear bands, an inhomogeneous texture distribution induced by shear banding is observed. To also understand the influence of the micromechanical boundary conditions on shear band formation, simulations on Copper-oriented single crystals with varying sample geometry and loading conditions are performed. We find that shear banding can be understood in terms of a mesoscopic softening mechanism. The predicted local textures and the shear banding patterns agree well with experimental observations in low SFE fcc crystals.     

基于晶体学模型估算单相多晶体材料屈服临界分切应力

对多晶体材料在变形初期晶粒的弹性变形与塑性变形行为进行分析。在应变量很小的情况下,依照多晶体塑性变形的Sachs模型,并利用Schmid定律,通过区分多晶体材料在宏观屈服状态下塑性变形与弹性变形晶粒,建立了多晶体材料屈服临界分切应力的计算模型。以SPHC热轧板与X100管线钢为研究对象,根据室温拉伸实验测得两种实验材料的屈服强度,并利用X射线衍射技术测算两者的取向分布函数数据,确定这两种多晶体材料宏观屈服时塑性变形晶粒的体积分数,估算了其屈服临界分切应力。结果表明,计算模型合理可行,SPHC热轧板与X100管线钢宏观屈服时塑性变形晶粒的体积分数分别为94.8%和93.7%,屈服临界分切应力分别为106.3MPa和296.2MPa。     

Creep deformation modelling of superalloy single crystals

A model of creep deformation in arbitrarily oriented nickel-base superalloy single crystals has been developed. This model extends the preceding model of the present authors [Svoboda, J. and Lukáš, P., Acta mater., 1998, 46, 3421] covering the case of creep in 〈001〉 oriented crystals. The calculated creep curves were compared with the creep curves of single crystals CMSX-4 of the orientations 〈001〉, 〈011〉 and 〈111〉 measured at 750°C; a fair agreement was found.     

无铼二代镍基单晶高温合金中温高应力蠕变机制

通过测定一种镍基单晶合金的蠕变曲线和观察微观组织及对合金断裂后位错组态进行分析,研究中温高应力条件下镍基单晶合金的组织演化及断裂特征。结果表明:在760℃、700 MPa条件下,合金蠕变断裂后的断口表面由类台阶状形貌组成,且台阶取向相同,台阶的两个棱边与110晶向平行,台阶的上平面平行于{001}晶面。合金凝固形成的共晶区是合金薄弱区域,裂纹在该区域萌生和扩展,并最终导致合金的蠕变断裂。800℃、750 MPa蠕变期间,合金中的相可形成与应力轴垂直的类N型筏状结构,但筏状相的尺寸较短,在合金的基体通道及/两相界面处存在大量位错网,有部分110超位错切入筏状相内。(1/2)[1 10]位错由/相界面切入相后发生位错分解,可形成(1/3)112超肖克莱不全位错+层错的位错组态,当有单个位错穿过层错区时,致使位错与层错衬度相互重叠,使层错条纹明暗衬度发生变化。     

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.     

预压缩处理对镍基单晶高温合金蠕变变形机制的影响

对[001]取向镍基单晶合金进行预压缩处理,获得P-型筏状结构后进行拉伸蠕变实验,测定P-型γ'合金(预压缩态)与立方γ'合金(热处理态)的相对蠕变性能.结果表明:在800 ℃,600 MPa条件下,P-型γ'合金的初期蠕变应变及稳态蠕变速率相对较高,而持久寿命相对较短.TEM观察显示,P-型γ'合金在蠕变初始阶段除了基体中的{111}<110>多滑移启动外,位错还以层错和超位错的形式切入γ'相.在980-1020℃温度区间及恒定载荷200 MPa条件下,P-型γ'合金的稳态蠕变速率相对较低,持久寿命相对较高.在稳态蠕变初期,合金中的γ'相有效地抑制了位错沿垂直γ/γ'界面的攀移运动;而在稳态蠕变中期,γ'相被稠密的位错网包围,位错难以切入,合金的蠕变抗力提高.     

元素Re对镍基单晶合金中温蠕变行为的影响

通过对有/无元素Re合金进行蠕变曲线测定及组织形貌观察,研究了元素Re对镍基单晶合金中温蠕变行为的影响。结果表明:与无Re合金相比,4.5%Re合金在中温/高应力条件下具有良好的蠕变抗力。蠕变期间无Re合金中的#’相转变成串状,而4.5Re合金中的#’相仍保持立方体形貌,有/无元素Re合金在中温蠕变期间的变形机制均为<110>超位错剪切#’相,切入#’相的超位错可在{111}面滑移,或在{111}面分解形成{112}超肖克莱不全位错+(SISF)的位错组态,抑制其交滑移;其中,4.5%Re合金中切入#’相的<110>超位错可由{111}面交滑移至(100)面,形成K-W锁,是使合金具有良好蠕变抗力的重要原因之一。     

DZ68镍基高温合金的凝固偏析

利用硅-碳管炉制备凝固样品,采用金相显微镜观察DZ68合金的凝固过程,利用电子探针测定DZ68合金凝固过程中的元素含量,研究DZ68合金的凝固过程及合金元素、杂质元素的偏析行为.结果表明:DZ68合金的凝固过程主要在1 370～1 310 ℃内完成,合金的终凝温度介于1 180～1 200 ℃之间;DZ68合金中主元素W、Re、Ta、Al的偏析系数经测定分别为2.2、4.5、0.58和0.8,其中W和Re为强烈负偏析元素,Ta是强烈正偏析元素;有害杂质元素S、P、B和Si在枝晶间发生严重偏聚.热力学分析表明,这些偏聚的杂质元素在枝晶间可能形成Ni3P、Ni3S2和M3B2等低熔点化合物,从理论上解释了DZ68合金终凝温度降低的原因.     

Temperature dependence of deformation mechanism in single crystal Ni-base superalloy

The tensile behavior of a new single crystal Ni-base superalloy was studied at various temperatures.Specimens were strained to fracture in the temperature range from 20 ℃ to 1 000 ℃. σ0.2 is essentially unaffected by temperatures between 20 ℃ and 400 ℃. At higher temperatures it increases until it reaches a maximum at about 800 ℃. Beyond 800 ℃ a sharp decrease of strength is observed. There is a slight fluctuation in ductility between 20 ℃ and 800 ℃. The elongation to fracture increases from 10% to 36% as the temperature increases from 800 ℃ to 1 000 ℃. The deformation is dominated by γ' shearing and the high-density dislocations are observed in matrix channels at low temperatures. The dislocation microstructure is inhomogeneous due to the formation of dislocation concentrations with high-density tangling at intermediate temperatures. The networks deposited at the γ'/γ'interfaces prevent dislocations from entering the γ' precipitates at high temperatures.     

一种镍基高温合金熔敷金属的组织及性能

通过热力学计算、光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)等分析了一种镍基高温合金熔敷金属的组织结构和力学性能.结果表明,试验用镍基高温合金熔敷金属的组织主要由柱状NiCr奥氏体以及在其亚晶间分布的少量γ'相、MC型碳化物和Laves相组成.熔敷金属组织结构完好,无裂纹、孔洞等缺陷,但多数合金元素存在偏析行为,其中元素Fe在亚晶粒中心含量较高,元素Mo,Nb,Al和Si在亚晶间含量较高,而元素Cr不存在偏析行为.熔敷金属具有良好的强度和韧性,在拉伸试验及冲击试验中其断裂形式均为塑性断裂,断口形貌为典型的韧窝状.     

应力对单晶高温合金再结晶的影响

通过试验和理论计算相结合的方法研究了应力对单晶高温合金再结晶形成规律的影响。结果表明,再结晶的形成与应力密切相关。当施加的应力高于临界应力时才会产生再结晶,而低于临界应力则不会产生再结晶,并且再结晶临界应力随着温度的升高而降低。在相同温度下,试验合金的再结晶层厚度随着应力的增加而呈线性增加;在相同应力下,再结晶层厚度随着温度的升高而呈指数增长。此外,随着温度的升高,再结晶层厚度的增长速率随应力的增加而增大。     

Influences of processing parameters on microstructure during investment casting of nickel-base single crystal superalloy DD3

The effects of solidification variables on the as-cast microstructures of nickel-base single crystal superalloy DD3 have been investigated by using the modified Bridgman apparatus.The experiments were ...     

[111]取向镍基单晶合金的组织结构与蠕变行为

通过蠕变曲线的测定及微观组织形貌观察,研究[111]取向镍基单晶合金在高温低应力条件下的组织结构与蠕变行为。结果表明:经完全热处理后,[111]取向单晶合金的组织结构是立方γ′相以共格方式嵌镶在γ基体中,并沿100方向规则排列;在1 040~1 080℃、137~180 MPa的温度和应力范围内,该取向单晶合金表现出明显的温度和施加应力敏感性。蠕变期间,γ′相沿与应力轴呈一定角度形成筏状组织,蠕变后期在近断口区域筏状γ′相发生粗化和扭折。[111]取向单晶合金在蠕变期间的变形特征是位错在γ基体通道中运动和剪切筏状γ′相,由于形变量较大,较多位错切入筏状γ′相后使其形成亚晶结构,其中,蠕变后期大量位错切入筏状γ′相导致合金的蠕变抗力降低,是合金发生蠕变断裂的主要原因。     

螺旋选晶器对单晶高温合金晶粒取向的影响(英文)

对于航天推进和发电燃气轮机,为了实现更高的效率和性能并同时降低成本和排放,需要发展先进的镍基单晶高温合金。随着合金的发展,合金的铸造技术已经从定向凝固(DS)发展到单晶(SX)。单晶取向与择优取向的偏差已经成为单晶高温合金最重要的铸造缺陷之一。在自行设计的高温度梯度定向凝固装置中,采用改进的Bridgeman法,用螺旋选晶器拉制出DZ417G合金的单晶。使用XRD和EBSD对其取向进行分析研究。结果表明:较小角度的螺旋选晶器可以有效地减少单晶取向与择优取向的偏差。     

晶体取向对镍基单晶高温合金铸态组织和偏析的影响

用光学显微镜观察了沿 [0 0 1],[0 11]和 [111]方向生长的镍基单晶高温合金的枝晶形态。结果表明 ,以枝晶界面生长的单晶中生长方向完全由择优取向〈0 0 1〉决定 ,[0 0 1]方向中形成平行于轴向的枝晶 ,[0 11]和 [111]方向中由于不同取向的枝晶交错生长 ,形成多种位向的亚晶界。在垂直于枝晶方向的 { 0 0 1}面内测定的一次枝晶间距 ,按 [0 0 1]→ [0 11]→ [111]次序增大。用电子探针测定了不同取向中合金元素的偏析比 ,Al,Co ,W的偏析情况不受晶体取向影响 ,Ti和Cr的偏析比按 [0 0 1]→ [0 11]→ [111]的顺序减小 ,Ta和Mo的偏析程度无确切变化规律。各元素在不同取向中偏析的变化是由元素的扩散能力和枝晶空间构形共同决定的。     

一种4.5%Re单晶镍基合金的中温蠕变行为

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:提高合金的固溶温度,可降低合金中元素的偏析程度,提高合金的蠕变性能。完全热处理后单晶镍基合金的组织结构由立方γ’相以共格方式嵌镶在γ基体所组成,在760℃/800 MPa条件下的蠕变期间,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。在施加的温度和应力条件下,合金具有良好的蠕变抗力和较长的蠕变寿命。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}面可发生分解,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,是使合金具有良好蠕变抗力的主要原因。