镍基单晶高温合金蠕变机制研究进展

叶片在服役过程中主要承受〈001〉轴向的离心载荷,由离心应力导致的蠕变损伤是叶片的主要失效机制之一。基于单晶叶片的典型服役条件,总结了国内外关于高温低应力和中温高应力蠕变变形损伤机制的研究现状,指出深入开展含典型缺陷单晶高温合金蠕变行为、氧化和热腐蚀对单晶合金蠕变-疲劳变形损伤机制影响研究十分必要。     

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。     

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.     

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.     

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。     

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.     

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.     

镍基单晶高温合金的微孔加工对比实验研究

开展镍基单晶高温合金微孔加工实验研究,探讨不同直径、不同截面形状的电极对微孔的尺寸精度、表面质量、加工效率和亚表面损伤等方面的影响.研究结果表明,微细螺旋电极的加工效率远大于圆柱电极,其中直径200μm的微细螺旋电极的微孔加工效率比相同直径下的圆柱电极提高17%,而直径300μm的微细螺旋电极的加工效率可提高30.56%;微细螺旋电极加工的微孔扩孔量小于圆柱电极的扩孔量,且微细螺旋电极加工得到的孔壁质量优于圆柱电极的;微细螺旋电极所加工的微孔的亚表面损伤层连续且厚度小于圆柱电极所加工的微孔.     

镍基单晶高温合金磨削变质层工艺试验研究

为探究镍基单晶高温合金的磨削变质层工艺特性,采用单因素试验的方法,研究不同磨削参数及冷却条件对磨削变质层厚度的影响规律.结果表明,在镍基单晶高温合金DD5的磨削表面及亚表面存在一定厚度的磨削变质层.磨削变质层中的塑性变形层内γ相和γ′相发生剧烈扭曲变形且磨削变质层的硬度大于基体.不同磨削参数及冷却条件对磨削变质层厚度产生不同影响,随着砂轮线速度、磨削深度、工件进给速度的增加,磨削变质层厚度的变化分别表现为先减小后增大、不断增大、先增大后减小;在试验参数范围内,微量润滑(MQL)作为冷却条件可以降低相应的磨削变质层厚度,最多达到3.5μm.     

单晶镍基高温合金DD98微铣削表面质量试验

为研究单晶高温合金的微铣削表面质量,使用M.A.FORD双刃端铣刀,刀刃直径为0.8 mm,试验材料为单晶高温合金DD98,完成正交试验研究.通过极差分析找出主轴转速、进给速度、铣削深度对微铣削表面质量影响的主次因素,即主轴转速的影响最大,铣削深度其次,进给速度最小;采用统计学知识,获得切削工艺参数的优化组合,使表面粗糙度最小,即主轴转速为n=3.6 kr/min,铣削深度为ap=5μm,进给速度为v=100μm/s,对此优化方案重复试验,表面粗糙度值为951 nm.并对其切削机理和影响表面质量及形貌的原因进行深入的分析,对单晶高温合金的微加工理论的机理揭示具有一定的指导意义.     

镍基单晶高温合金微磨削形貌仿真及实验研究

基于单个磨粒微磨削几何运动学规律和最小值函数,推导出全局磨粒的微磨削运动轨迹表达式,建立工件微磨削加工表面的包络线函数集合,得出磨削加工微观形貌仿真预测模型,并通过开展DD5镍基单晶高温合金微磨削加工工艺实验验证模型结果的正确性.实验结果表明:仿真预测微观形貌与实际微观形貌具有相似特征,仿真预测线轮廓高度与实际加工微磨削线轮廓高度误差为0.2~0.3μm;不同磨削参数下的表面粗糙度对比结果也表明预测模型与实验所得的表面粗糙度变化趋势一致.     

硬质合金刀具铣削镍基单晶高温合金DD5磨损试验

为探究在干切削和水基微量润滑(WMQL)条件下刀具磨损对DD5铣削表面质量的影响规律,采用四刃PVD-TiAlN涂层硬质合金刀具以及超景深显微镜和扫描电镜等设备,以刀具副后刀面磨损宽度为主要评价指标,对硬质合金刀具副后刀面磨损形态、磨损机理进行分析和研究,并采用三维轮廓仪对零件表面粗糙度进行测量.研究结果表明,与干切削相比,采用水基微量润滑冷却技术,能够延长刀具寿命并改善材料的铣削加工性;硬质合金刀具的主要磨损机理为粘结磨损、磨粒磨损、氧化磨损和扩散磨损.     

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。     

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。     

人工神经网络在镍基高温合金设计中的应用

在大量镍基高温合金试验数据的基础上，利用人工神经网络来建立数学模型，提出将部分合金成分及其温度、应力和对应的蠕变断裂寿命作为网络输入，其他合金成分作为网络输出，然后用这个模型来按要求的性能设计合金成分的含量，获得了比较满意的结果，为镍基高温合金的设计提供了一种新的手段。     

硼对第二代镍基单晶高温合金显微组织的影响

硼(B)是强化镍基单晶合金小角度晶界的重要微量元素,但目前关于B对镍基单晶合金显微组织影响的系统报道非常有限。通过对3种不同B含量(质量分数分别为0、0.01%、0.02%)的第二代镍基单晶合金DD11铸态及热处理态组织定量表征,研究了B对相转变温度、(γ+γ′)共晶组织、硼化物的影响。结果表明:B显著降低合金的固液相线,提高铸态共晶组织体积分数;0.01%B的加入,合金中未出现M3B2型硼化物相;而0.02%B的加入,显著促进了骨架状硼化物的形成,降低合金初熔点,引起残余共晶含量的大幅度提高;骨架状硼化物吸收较多的Cr、Mo和W等元素,降低合金的固溶强化效果,可导致单晶合金基体的蠕变性能大幅度降低。研究结果对认识单晶合金中微量元素B的作用机理及优化B成分范围具有理论指导意义。     

一种铸造镍基高温合金的高温蠕变断裂行为

研究了M963合金在975℃／225MPa条件下蠕变断裂行为。结果表明：M963合金的蠕变曲线表现出明显的蠕变三个阶段；蠕变过程中，γ’相粒子逐渐筏形化，由初始阶段的分布在γ基体中的立方状孤立相转变为蠕变后期的包围γ相的连续相；在枝晶干上有颗粒状M6C碳化物析出；蠕变变形机制从开始阶段的Orowan绕过γ’相粒子转变为蠕变后期的位错切过γ’相粒子。