第二代单晶高温合金的低周疲劳行为

研究了含0.34%Hf DD6单晶高温合金在760℃下的低周疲劳行为,对其疲劳裂纹的萌生与扩展进行了分析。结果表明,含0.34%Hf DD6合金比含0.10%Hf的疲劳寿命稍有降低;其损伤以弹性损伤为主。疲劳裂纹萌生于试样表面、亚表面或试样内部后,先沿垂直应力轴方向扩展,后沿{111}面扩展。其断裂机制为类解理断裂。断口上有典型的疲劳条带。断裂组织分析表明,位错主要在基体通道中扩展,变形后期切过γ'相,形成滑移带。     

单晶高温合金断裂特征

对单晶高温合金高温拉伸、低周疲劳、高周疲劳和持久断裂特征进行试验研究。结果表明：单晶高温合金高温拉伸断口具有类解理断裂与韧窝断裂的混合特征,断裂机制为中心微孔聚集型断裂。低周疲劳断裂在高应变幅下为多疲劳源,裂纹扩展初期断口与主应力方向垂直,随后疲劳裂纹沿特定晶体学平面扩展;在低应变幅下为单疲劳源,疲劳裂纹沿特定晶体学平面扩展。高周疲劳断裂为单疲劳源,在大应力下断口由多个相交的特定晶体学平面组成,应力较小时,断口由一个大的晶体学平面和瞬断区组成。疲劳裂纹在晶体学平面上扩展形成的疲劳条带间距很宽。高温持久断裂机制为微孔聚集型断裂,显微缩孔成为持久断裂的主要裂纹源。表面再结晶对高温持久断裂机制影响较小,但会使持久性能降低。     

取向偏离度对镍基单晶高温合金DD10低周疲劳行为的影响

本文研究了特定试验条件下,镍基单晶DD10取向偏离[001]的程度对其低周疲劳行为的影响。结果表明：取向偏离度对DD10合金的低周疲劳行为影响明显。疲劳寿命随取向偏离度的增加而明显降低,在同等偏离度下,晶体取向靠近[001]-[011]的合金低周寿命优于取向靠近[001]-[11]的合金;分析发现：不同取向偏离度合金DD10低周疲劳寿命的差异源于其每循环周次的可累计塑性变形的差异。另一方面,取向偏离度对疲劳总应力幅和塑性应变幅的影响却截然相反,但对疲劳裂纹萌生和扩展方式影响不大。     

DD3单晶高温合金的高温蠕变断裂行为

通过对DD3单晶高温合金试棒进行1030℃／196MPa、1040℃／177MPa和1050℃／140MPa蠕变实验,并对试样断口形貌及其组织进行观察和分析,研究了第一代单晶高温合金DD3的高温蠕变断裂行为。蠕变试验结果表明：在1030～1050℃条件下,DD3合金具有优良的蠕变性能;蠕变开始不到10h,合金即进入稳态蠕变阶段。断口形貌及组织分析表明：高温条件下的DD3单晶高温合金蠕变断裂裂纹萌生于微孔,断裂模式为微孔聚集型断裂。     

CMSX-4单晶高温合金在不同温度下的低周疲劳行为

研究了单晶高温合金CMSX-4在中温760 ℃和高温950 ℃下的低周疲劳行为。结果表明：在760 ℃下合金具有较长的疲劳寿命和较高的疲劳强度,断裂后断面高度差大并与应力轴方向呈45°角,裂纹沿着{111}面扩展;而在950 ℃下合金具有较短的疲劳寿命和较低的疲劳强度,断面与应力轴垂直,裂纹沿着{001}面扩展。低周疲劳断口的扫描电镜结果表明, 760 ℃试样表面的微孔是主要的疲劳源,而950 ℃试样表面的氧化层是主要的疲劳源且呈现多源开裂。低周疲劳断口的透射电镜结果表明,中温760 ℃下位错具有的平面滑移和波状滑移的变形机制,是由位错的平面滑移向波状滑移转变的过程;而高温950 ℃下位错主要通过交滑移和攀移进行运动。     

第二代单晶高温合金DD6的高周疲劳行为

研究Hf含量为0.34%和0.10%Hf的第二代单晶高温合金DD6在700℃的高周疲劳行为:采用扫描电镜对疲劳裂纹的萌生与失效机制进行分析,采用透射电镜研究变形后的显微组织.结果表明:含0.34%Hf的DD6合金比含0.10%Hf的合金的疲劳寿命稍有降低;疲劳裂纹萌生于试样表面、亚表面,沿{111}面扩展,而并不沿垂直应力轴方向扩展;断口上有典型的疲劳条带;Hf含量为0.34%和0.10%的DD6合金的高周疲劳断裂机制为类解理断裂.透射电镜分析表明,合金在循环变形中形成了不同形式的位错.     

单晶高温合金损伤与断裂特征研究

研究了单晶高温合金在持久、拉伸和低周疲劳条件下的损伤与断裂特征。结果表明:单晶合金高温持久微观断裂方式为沿原始微孔洞扩展的微孔聚集型断裂,中温持久微观断裂方式为微孔聚集型断裂与滑移剪切断裂共存的混合型断裂;高温拉伸首先在内部以微孔聚集型模式开裂,最后阶段以滑移剪切的方式发生断裂,微孔聚集型断裂过程占主要地位,中温拉伸以纯滑移剪切的方式发生断裂,断口由一个平面组成;低周疲劳断裂由裂纹萌生、裂纹稳定扩展和裂纹失稳扩展3个阶段组成。断口呈现多源开裂特征,疲劳裂纹一般萌生于表面。疲劳裂纹扩展初期断口基本与主应力方向垂直,随着疲劳裂纹扩展,断口表现为与主应力约成45°的平面特征。     

喷丸强化DD6单晶合金低周疲劳寿命预测

目的 实现喷丸强化后DD6单晶合金低周疲劳寿命的准确预测。方法 开展了喷丸强化后DD6圆棒件低周疲劳试验,分析了喷丸强化对单晶合金疲劳寿命的影响机理。在此基础上,建立了各向异性材料喷丸强化工艺有限元模型,获取了喷丸强化所致残余应力分布与粗糙度。基于连续介质损伤力学,考虑残余应力与粗糙度对低周疲劳寿命的影响,建立了喷丸强化DD6单晶合金低周疲劳寿命预测模型。结果 喷丸强化后不同载荷下DD6单晶合金的低周疲劳寿命均得到提高,最大可提高108%;高温环境下残余应力松弛导致强化效果与试验温度成反比。喷丸强化工艺有限元模拟得到残余应力分布在试件表面深约130 μm的区域,表层残余应力为–380.16 MPa,应力集中系数为1.193,残余应力影响下的八面体Schmid应力幅值降低了10%左右。DD6低周疲劳试验结果在预测结果的2倍分散带以内。结论 喷丸强化可以有效提高DD6低周疲劳寿命,对低周疲劳寿命的影响机制为残余应力的引入与粗糙度的改变。所建立的喷丸强化单晶合金DD6低周疲劳寿命预测模型具有较好的准确性。     

粉末冶金高温合金FGH97的低周疲劳断裂特征

研究了粉末冶金镍基高温合金FGH97在650℃,30—980 MPa,1 Hz实验条件下的低周疲劳断口的宏观及微观特征,裂纹源的类型及其形貌特征,以及裂纹源的位置、缺陷类型、形状和尺寸对低周疲劳寿命的影响.结果表明,在本次实验条件下该合金的低周疲劳寿命均超过了5000 cyc;统计得出,低周疲劳断口裂纹源在表面的试样占23%,在亚表面的占47%,在试样内部的占30%;裂纹源分平台、粉末颗粒、夹杂物3种类型,其中平台类型约占5%,粉末颗粒间断裂占15%,夹杂物占80%.由统计分析和计算得出,不同类型裂纹源对疲劳寿命的影响程度不同:夹杂物最严重,其次为异常粉末颗粒,再次为局部塑性变形.     

镍基单晶高温合金530 ℃低周疲劳性能及断裂机制

对镍基单晶高温合金在530℃的低周疲劳断口及断裂损伤机制进行研究。结果表明：在530℃时,单晶高温合金低周疲劳裂纹一般萌生于试样表面、亚表面或内部。亚表面存在铸造缺陷时裂纹从缺陷处起源。在大应变幅（>0.85%）条件下,合金在疲劳循环过程中表现出明显的循环硬化行为,应变幅低于0.85%时循环应力响应曲线基本趋于稳定。镍基单晶高温合金主要通过滑移产生变形,在530℃合金主要通过八面体滑移机制进行断裂,主滑移系为{111}<110>。分析断口特征可知,断口在源区附近未见明显塑性变形,稳定扩展区可见疲劳条带特征,快速扩展区在滑移台阶处存在大量交叉滑移带。通过电子背散射衍射分析发现,不同滑移面交界处的断口表面存在明显塑性变形,靠近断口表面的γ基体及立方γ’相变形严重。该温度下疲劳断口表面未见明显氧化特征。     

镍基单晶气膜孔模拟试样的低周疲劳断裂机理

采用镍基单晶合金DD6带不同数量激光加工气膜孔的薄壁平板模拟试样,对其在900℃下的低周疲劳性能进行了研究,并对试验数据和断口的SEM形貌进行了分析。结果表明:在相同的试验条件下,气膜孔的数量对低周疲劳的寿命影响很大,单孔试样的寿命约为密排多孔试样的10倍;气膜孔周围存在大量微裂纹,带气膜孔试样的破坏属于典型的多源断裂;对于单孔试样及密排多孔试样的中间孔,裂纹沿{001}面扩展;密排多孔试样的上下2排气膜孔周围的裂纹沿多个滑移面扩展。     

DZ125高温合金断裂特征

对DZ125定向凝固高温合金的室温、高温拉伸,高温低周、高周疲劳,以及疲劳/蠕变交互断裂特征进行了研究。结果表明:DZ125合金室温、高温拉伸断口具有类解理断裂、韧窝断裂和沿枝晶断裂的混合特征,断裂机制为中心微孔聚集型断裂;高温低周疲劳断裂断口与主应力方向垂直;高温高周疲劳断裂断口疲劳裂纹扩展第一阶段表现为类解理小平面和平行锯齿状断裂特征。低周/蠕变交互断裂特征与相同条件下低周疲劳断口主要存在3方面差异:疲劳扩展区面积明显减小;断口上的撕裂棱线较多且相互连接;断口上氧化严重,特别是在疲劳扩展区,存在明显的致密氧化层。     

超声滚压工艺对镍基单晶高温合金DD6表面完整性和疲劳寿命的影响

目的 改善长期服役于高温高压环境的镍基单晶高温合金DD6材料的表面完整性,提高其使用寿命。方法 采用超声滚压表面强化工艺(Ultrasonic Rolling Process,USRP)对镍基单晶高温合金DD6试样进行表面强化,用正交试验法对三因素三水平的试样组进行试验,使用三维形貌仪、显微硬度仪、XRD射线衍射仪和MTS万能疲劳试验机探究静压力、进给速度和加工遍数等超声滚压参数对镍基单晶合金表面完整性和疲劳寿命的影响规律。结果 对于镍基单晶材料,超声滚压强化工艺能有效降低其表面粗糙度,提高表面显微硬度,并在材料内部引入一定的残余应力,并提升疲劳寿命。经USRP处理后,不同晶体取向的材料能够取得的最佳表面增益效果为,表面硬度从465HV提高到679.2HV,表面粗糙度从0.703 μm降低至0.253 μm,表面引入了约为782 MPa的残余压应力。不同晶向材料的疲劳寿命提升表现为,应力水平为742.4 MPa时,疲劳寿命提升1.3倍;应力水平为649.6 MPa时,疲劳寿命提升1.5倍。结论 超声滚压工艺能够有效降低DD6材料的表面粗糙度、提高表面显微硬度,并在表面引入一定的残余应力,疲劳断裂模式主要为沿{110}面的滑移断裂。在低于742.4 MPa的应力加载时,超声滚压强化可以明显提高DD6材料在高温下的疲劳寿命。     

Effect of LAB on the Stress Rupture Properties and Fracture Characteristic of DD6 Single Crystal Superalloy

用双籽晶法制备了带有扭转小角度晶界的DD6单晶高温合金双晶试板。在760℃/758 MPa, 850℃/550 MPa 和 980℃/250 MPa条件下研究了小角度晶界对合金持久性能和断裂特征的影响,用扫描电镜分析了断口形貌和断裂机制。结果表明,晶界角度相对较小时,对合金的持久性能影响较小。在同一测试条件下,合金的持久性能随着晶界角度增大而减小。在同一测试条件下随着晶界角度增大,或者在相同晶界角度随着测试温度升高应力减小,持久断裂有逐渐出现沿晶断裂的趋势。     

喷丸强化DD6单晶合金中温单轴拉伸性能

为研究喷丸对单晶合金中温拉伸性能影响,采用陶瓷弹丸对DD6单晶合金（后简称单晶）进行喷丸,研究了[001]取向单晶原始/喷丸后600、650和850℃的单轴拉伸性能。采用显微硬度和透射电镜分析了喷丸单晶表层组织,并采用扫描电镜观察了拉伸断口。结果表明：喷丸对单晶中温抗拉、屈服强度及850℃拉伸塑性无影响,而喷丸后单晶的600和650℃拉伸塑性显著下降。650℃时,延长率和断面收缩率分别由16.1%和20.1%下降到喷丸后的3.8%和6.9%;600℃时,延长率和断面收缩率分别由10.5%和18.4%下降到喷丸后的2.8%和7.5%。喷丸单晶表面形成了以{111}交叉滑移孪晶面,与600和650℃拉伸主滑移面重合,孪晶使得拉伸过程进一步表面变形困难,内部金属变形受到限制,表现为喷丸单晶600和650℃拉伸塑性下降。单晶850℃拉伸过程中,除开动八面体滑移外,还开动了六面体滑移,未出现喷丸孪晶面与拉伸主滑移面重合问题,故喷丸不影响850℃单晶拉伸塑性。     

应力比对单晶高温合金高周疲劳行为的影响

为了研究应力比对DD6单晶高温合金高周疲劳行为的影响,在轴向疲劳试验机上分别测试了DD6合金1070℃条件下应力比为-1、-0.33、0.1、0.5、0.8的疲劳性能,采用扫描电镜(SEM)和能谱仪(EDS)观察分析了不同应力比合金的断口形貌和显微组织。结果表明：DD6合金不同应力比条件下的疲劳寿命均随应力幅值和平均应力的增加而降低;当应力幅值恒定时,DD6合金疲劳寿命随着应力比的增大而降低;当平均应力恒定时,应力比R＜0.5条件下的疲劳寿命随着应力比的增大而增加,同时,当平均应力增大到一定程度时,应力比对合金的疲劳寿命无明显影响。DD6合金低应力比条件下的疲劳断裂模式为类解理断裂,该条件下高温氧化有助于疲劳裂纹的萌生和扩展;高应力比条件下的疲劳断裂模式为韧窝断裂;中等应力比条件下疲劳断裂模式具有类解理断裂和韧窝断裂同时存在的特征。