镍基单晶高温合金γ’颗粒[111]取向加载的粗化趋势

针对镍基单晶高温合金的服役条件和机构特点,对γ’颗粒在[111]取向加载时的定向粗化趋势进行了比较系统的研究.通过实验得到镍基单晶高温合金在[111]取向上受载时,γ’颗粒没有表现出沿任何方向上的定向粗化趋势,只是以毛细驱动方式各向同性长大.经过有限元计算表明,外应力作用使各类基体通道中的应力分布具有强烈的各向异性,而在粗化过程中扩展的通道都是Von Mises应力高的通道,而逐渐减小的通道都是Von Mises应力低的通道,这表明塑性变形及其不均匀分布起关键作用.     

镍基单晶高温合金定向粗化机制有限元分析

采用有限元计算了[001]取向时,镍基单晶合金中γ基体和γ′沉淀相在施加外力前后弹性应变能密度的分布,并依据元素的扩散性质对定向粗化过程做了相应分析.结果表明,外应力改变了基体通道中的应变能密度的分布,γ′沉淀颗粒的定向粗化与基体通道中的应变能密度分布密切相关,其定向粗化在应变能密度高的基体通道扩展,且应变能密度变化越大,元素扩散速率越快,γ′颗粒定向粗化的速率也越快.     

晶体取向对镍基单晶DD6合金蠕变性能的影响

针对航空发动机镍基单晶涡轮叶片高温服役下蠕变寿命的取向敏感性难题,开展了DD6单晶合金[001]、[011]与[111]3种典型取向在980oC下的蠕变试验,获得了服役温度下单晶合金的蠕变寿命、伸长率,均为[111]取向>[001]取向>[011]取向;通过对蠕变过程中微观组织演化以及蠕变断裂后断口形貌进行分析,揭示了不同取向下单晶合金的蠕变失效机理;基于晶体塑性理论,建立了DD6单晶考虑取向敏感性的粘塑性本构及损伤方程,能够较好地拟合不同晶体取向单晶的蠕变过程,为单晶叶片的强度分析与寿命预测提供参考。     

一种[011]取向镍基单晶合金的蠕变断裂

研究了[011]取向的镍基单晶高温合金在750~980℃温度范围和200~680 MPa应力下的蠕变断裂特征。在扫描电镜上对各种实验状态下的蠕变断口和纵向剖面进行了详细观察。研究发现：在低温750℃和中温870℃不同初始蠕变应力条件下,枝晶间区亚晶界处不规则γ＇/γ界面是裂纹主要萌生场所,这些已萌生的裂纹在与外加应力轴垂直的(011)面上沿＜110＞和＜100＞两个方向扩展;980℃不同初始应力条件下,裂纹主要在合金中显微疏松孔洞处萌生,沿与外应力轴垂直的方向扩展。观察750℃和870℃不同应力状态蠕变试样的纵向剖面,对亚晶界区不规则γ＇相面积分数的测量和计算表明,用面积分数表征该合金[011]取向在中低温状态下的蠕变损伤程度是可行的。     

一种新型镍基单晶高温合金拉伸性能研究

研究了一种新型镍基单晶高温合金拉伸性能及断裂模式。采用[001]取向制备拉伸性能试样,以平行于单晶[001]取向作为应力轴方向,采用扫描电镜观察断口形貌。实验结果表明,随着拉伸温度升高,合金的抗拉和屈服强度逐渐升高,并分别在760℃和850℃达到峰值,之后随着温度升高迅速下降。塑性随温度的变化则相反,在760℃塑性指标达到最低值,随后断面收缩率急剧增加,而延伸率在850℃达到峰值后迅速下降。合金的拉伸断裂模式在980℃从准解理断裂转向塑韧性断裂。     

应力时效对镍基单晶合金DD11组织及持久性能的影响

研究了1070℃/100MPa应力时效对镍基单晶合金DD11组织和持久性能的影响,通过扫描电镜和透射电镜对应力时效前后的组织进行了观察和分析,并对合金应力时效前后的持久性能进行了测试与分析。实验结果表明:应力时效前50h是形筏阶段,竖直方向的γ相通道逐步变窄或消失,水平方向的γ相通道宽度逐步增加,立方状γ′相在应力的作用下向水平方向扩展并相互连接在一起逐渐形成筏排形貌。应力时效50h后是筏排粗化阶段,随应力时效时间的延长,组织缓慢粗化,但是筏排形貌基本保持稳定。对应力时效后的组织进行1 070℃/140 MPa持久性能测试,结果表明,在形筏阶段持久寿命基本保持稳定,在筏排粗化阶段,持久寿命逐步下降。应力时效500h后,持久寿命由热处理后初始状态的360h左右降低至140h左右。研究结果表明,γ相通道尺寸的粗化和组织的筏排化是持久性能衰退的主要因素。     

CMSX－3镍基单晶高温合金的蠕变－疲劳行为

对镍基单晶高温合金ＣＭＳＸ－３在９００℃、较高应力幅下进行蠕变－疲劳交互作用试验。结果表明，循环蠕变的保持时间显著地影响材料的断裂寿命和断裂应变；应变量与总保持时间有对应关系。可用γ强化的单晶高温合金蠕变－疲劳交互作用机制对此作出解释。     

镍基单晶高温合金微尺度磨削温度仿真

针对镍基单晶高温合金具有较强各向异性以及镍基单晶高温合金微尺度磨削温度场研究较少的情况,建立了基于Hill模型的三维磨削温度仿真模型,并采用任意拉格朗日－欧拉法(ALE),实现单晶材料微磨削过程有限元温度仿真,分析微磨削过程中的温度场分布及其变化情况,研究了不同磨削深度、磨削速度以及不同晶面(100),(110)和(111)对微磨削温度的影响规律.结果显示:微磨削高温区发生在磨粒前表面与工件接触的半椭圆形区域,即第Ⅱ温度区;磨削区域温度随着磨削深度增加而增加,随着主轴转速增加而增加;在镍基单晶高温合金不同晶面内微磨削时,(111)晶面温度最高,(110)晶面次之,(100)面微磨削温度最小.     

有外来扩散源条件下DD402单晶合金中的γ’相筏形化

研究了热等静压(HIP)连接DD402单晶合金与FGH95粉末合金的扩散偶中,DD402单晶合金的γ’相筏形化过程.提出了一种新的γ’相筏形化的机理,分析了γ’相筏形化的驱动力问题,建立了γ’相筏形化过程的物理模型.讨论了筏形γ’片层厚度与原始γ’相的尺寸、体积分数以及γ’相形成元素的扩散流量之间的关系.结果表明,单晶合金的γ’筏形化是由于其形成元素的扩散使γ’定向长大.筏形化的过程包括两个阶段:一是γ’粒子的定向连接阶段;二是筏形γ’片层的平坦化.筏形化γ’的初始片层厚度及筏形化方向主要由γ’原始尺寸及晶体取向决定.     

CMSX—3镍基单晶高温合金的蠕变—疲劳行为

对镍基单晶高温合金ＣＭＳＸ－３在９００℃、较高应力幅下进行蠕变－疲劳交互作用试验。结果表明，循环蠕变的保持时间显著地影响材料的断裂寿命和断裂应变；应变量与总保持时间有对应关系。可用γ＾１强化的单晶高温合金蠕变－疲劳交互作用机制对此作出解释。     

定向凝固对一种高强度铸造镍基高温合金的组织和性能的影响

研究了定向凝固对一种高强度铸造镍基高温合金的组织和性能的影响,发现合金的低倍和显微组织与定向凝固速度以及凝固后的冷却速度密切有关。定向凝固可大幅度地提高合金的塑性、热疲劳性能和中温持久性能,使瞬时拉伸及高温持久性能也有显著改善。中温(～760℃)持久寿命的提高主要是由于蠕变第二阶段的延长,而高温(～980℃)持久寿命的提高主要是由于蠕变第三阶段延长的结果。通过定向凝固改善高强度铸造镍基高温合金的高温机械性能的主要原因是消除了垂直于应力轴的横向晶界;另一个原因是获得[001]方向择优生长的柱状晶。高温固溶热处理可降低第二阶段的蠕变速度,延长蠕变第二阶段,从而进一步大幅度提高中温持久寿命,这主要是由于冷却析出的细小γ′相代替了铸态粗大γ′相的缘故。定向凝固及高温固溶热处理可提高合金的中温(～760℃)持久寿命和延伸率达3-4倍、热疲劳性能达5倍左右。消除了横向晶界的定向凝固合金中,初生MC是蠕变裂纹及热疲劳裂纹的策源地,预计降低合金的碳含量从而减少MC数量将进一步改善合金的高温机械性能。     

单晶镍基高温合金微铣削力试验

以单晶镍基高温合金DD98为研究对象,从单晶高温合金微观组织分析材料去除机理,得出DD98滑移面为密排面{111},滑移向为密排方向110,克服阻力最小,最易滑移.采用双刃微铣刀对单晶镍基高温合金DD98进行正交试验,通过极差分析比较获得切削参数对微铣削力的影响程度.结果表明,主轴转速的影响最大,进给速度其次,铣削深度最小.通过优化获得理想的切削参数为:主轴转速36 000 r/min,铣削深度5μm,进给速度20μm/s,此时微铣削力最小.并对其原因进行深入分析,为单晶高温合金的微加工理论的机理揭示提供理论参考和试验依据.     

一种[001]取向镍基单晶高温合金蠕变特征

研究了一种[001]取向镍基单晶合金的蠕变特征和变形期间的微观组织结构.结果表明:在低温高应力和高温低应力条件下,合金具有较长的蠕变寿命和较低的稳态蠕变速率;在700℃,720MPa条件下,透射电镜(TEM)观察显示蠕变期间的变形特征是12<110>位错在基体中运动,发生反应形成13<112>超肖克利(Shockley)不全位错,切入γ′相后产生层错.在900℃,450MPa条件下,没有出现蠕变初始阶段,γ′相从立方体形态演化成筏形;在加速蠕变阶段,多系滑移开动,大量位错剪切γ′相是变形的主要机制.在1070℃,150MPa条件下,γ′相逐渐转变成筏形组织,并在γ/γ′界面处形成致密的六边形位错网,位错网可以阻止位错切入γ′相,提高蠕变抗力;在蠕变后期,位错以位错对形式切入γ′相,是合金变形的主要方式.     

镍基高温合金单晶的生长和氧化行为

采用改进型坩埚下降法生长了镍基高温合金单晶,使用氧化铝坩埚和〈001〉方向的籽晶,生长得到直径为30～40 mm、长度260 mm的晶棒。采用异型氧化铝坩埚,生长出特殊形状且中空的高温合金单晶涡轮机叶片构件。腐蚀显示所生长的晶体具有典型的镍基高温合金单晶形貌,在枝晶区域有少量的γ′/γ共晶,枝晶的平均间距是367μm,γ′相是立方结构且分布均匀。研究了晶体在900和1 000℃氧化200 h的氧化行为,氧化120 h后其增重达到一个恒定值。     

一种镍基单晶高温合金的反相热机械疲劳行为

采用扫描电镜、透射电镜等方法研究了一种镍基单晶高温合金在600~900℃的反相位热机械疲劳行为,旨在探讨单晶合金的热疲劳变形及断裂机制,丰富单晶合金热机械疲劳理论。试验结果表明：当应变幅由0.6%增大至0.9%时,热机械疲劳寿命下降,塑性应变量和应力范围增大。合金的循环应力响应曲线在低温半周表现为循环硬化行为,而在高温半周则表现为循环软化行为。合金主要的变形特征是局部区域滑移带的运动。热机械疲劳裂纹起始于试样表面应力集中处,并沿着滑移带在{111}面向合金内部扩展,拉应力对合金的断裂起到了主导作用。     

镍基单晶高温合金表面再结晶控制技术的研究进展

针对镍基单晶高温合金构件的表面再结晶控制技术,结合国内外相关工作的研究状况,从单晶高温合金构件表面再结晶的形成机理、再结晶的表面效应、基于再结晶预防的构件设计、单晶构件热成型过程和冷加工过程再结晶控制技术等几方面,对镍基单晶高温合金构件的表面再结晶控制技术领域取得的研究成果进行总结和分析。重点论述了各国单晶再结晶控制技术,提出中国镍基单晶高温合金构件的表面再结晶控制技术存在的差距及未来研究重点。     

Co-Al-W三元合金热处理组织

研究不同Al和W含量对四种Co-Al-W三元合金的初熔温度、热处理组织和硬度的影响. 结果表明:四种Co-Al-W三元合金的固、液相点温度均超过镍基单晶高温合金液相点温度;在1300℃/8h固溶处理后,三种合金均仅得到γ(fcc)单相组织,而高W合金在晶界和晶内均有μ相Co7W6析出;在800℃/100h和900℃/50h时效处理后,四种合金在基体γ相中均析出L12型γ′相Co3(Al,W),其γ+γ′两相组织形貌与镍基高温合金相似;高W(12%)和高Al(12%)合金分别促进了μ相Co7W6和富Al相析出. 综合以上结果并结合时效合金的硬度结果,初步确定了含γ+γ′两相组织的合金成分范围.     

GH720Li合金长期时效过程中γ'相演变规律

研究GH720Li合金经标准热处理(1105℃,4 h→油冷﹢650℃,24 h→空冷﹢760℃,16 h→空冷)后分别在720℃时效0~5000 h和800℃时效0~1000 h后γ'强化相的演变规律. 合金在720℃,5000 h时效后一次γ'相的尺寸、形态以及数量基本不发生变化;在720℃,200 h时效后,二次γ'相发生明显粗化;500 h后出现不均匀长大. 相应地,500 h前硬度下降速率大, 500 h后趋于平稳. 在800℃,500 h时效后,一次γ'相发生粗化;800℃,100 h时效后,二次γ'相发生明显粗化且不均匀长大. 500 h前硬度下降斜率很大,500 h后硬度仍有明显下降趋势. 720℃及800℃时二次γ'相粗化行为是以扩散控制的粗化机制为主导. γ'相平均半径与时效时间满足立方根关系,符合L-S-W ( Lifshiz-Slyozov-Wanger)理论.     

一种单晶镍基合金高温蠕变相关参数的试验研究

通过测定［００１］取向单晶镍基高温合金的蠕变曲线及位错运动的应力σ０,建立了综合蠕变方程,计算出蠕变不同阶段的激活能及相关参数．结果表明：内应力σ０随温度升高明显降低,在试验的应力和温度范围内,蠕变的不同阶段,具有不同的激活能Ｑ,时间指数ｍｉ和结构因子Ｂｉ,其中蠕变Ⅰ、Ⅲ阶段Ｂｉ值对激活能影响较大．     

堆垛层错能与反应力蠕变理论在第二相强化高温合金中的应用

在第二相强化的多元高温合金稳态蠕交速率方程的基础上,考虑了堆垛层错能与反应力蠕变理论,进而提出了一个新的稳态蠕变速率普遍式: 根据对Ni—Co二元合金,γ′相强化和氧化物弥散强化的镍基高温合金、以及γ′相含量不高不同含Co量的镍基高温合金(Waspaloy)和高γ′相含量的不同含Co量的镍基高温合金(Udimet 700)的蠕变进行验证,说明作者提出的稳态蠕变速率方程是可行的。