一种第四代单晶高温合金不同温度的拉伸性能 各向异性

采用籽晶法在定向凝固炉中制备了一种[001],[011]和[111]取向的第四代单晶高温合金,分别在23℃,800℃和980℃研究了合金不同取向的拉伸性能,利用光学显微镜、扫描电镜研究不同取向、不同温度的合金组织、断口形貌和断裂组织。结果表明:不同取向合金在垂直于晶体生长方向的截面上具有明显不同的铸态枝晶和热处理组织形貌。不同温度合金的屈服强度和抗拉强度按[111]、[001]、[011]取向的顺序降低。合金的伸长率与断面收缩率在23℃和980℃时[011]取向最大,而800℃时[111]取向最大。23℃和800℃不同取向合金拉伸为类解理断裂,980℃[001]、[111]合金拉伸为韧窝断裂,而[011]取向合金拉伸为类解理和韧窝混合断裂。拉伸断裂后,23℃和800℃时不同取向合金的γ′相仍为立方体形状,980℃时[001]取向合金γ′相沿应力方向变长,[111]取向合金的γ′相变成平行四边形,而[011]取向合金的γ′相被单一密集滑移带剪切。     

DD3单晶的Hill屈服准则应用研究

将Hill屈服准则用于DD3单晶不同温度不同取向的屈服应力预测,结果表明:Hill屈服准则中材料参数的选择对计算结果有很大的影响,且不能同时准确预测单晶三个主要承载方向的屈服强度。根据单晶材料的屈服特点,考虑到单晶材料在任意方向上剪应力及其相互作用对屈服强度的影响,通过在Hill屈服函数中加入一修正项建立了适用于单晶的新屈服函数,能对晶体取向为[001],[011]和[111]的屈服强度进行非常准确的预测,在其它方向上结果也比较满意。     

高温下取向对DD6单晶高温合金低周疲劳寿命的影响

对 76 0℃和 980℃两种温度下 [0 0 1],[0 11]和 [111]三种取向的DD6单晶高温合金的低周疲劳寿命进行了实验研究。结果表明 ,取向对其低周疲劳寿命有重要影响 ,[0 0 1]取向的寿命最高 ,[111]取向的寿命最低 ,通过引入应力幅值 ,可以在很大程度上消除取向的影响     

DD6单晶高温合金的低周疲劳寿命估算

建立了 DD6单晶高温合金杨氏模量、屈服强度和强化指数与取向定量关系。并用这三个力学参数对滞后能△W进行表达。进而用 Nf =C(△ W)β模型疲劳寿命进行予测 ,对 [0 0 1 ]、[0 1 1 ]和 [1 1 1 ]取向附近的多个取向进行的恒应力速率的低周疲劳试验表明 :实际寿命与该模型的预测寿命吻合得相当好     

单晶叶片取向相关的统一屈服强度分析方法及应用

考虑非施密特效应提出了等效临界分解剪切应力来统一单晶(SC)合金不同取向的屈服强度。利用5种单晶合金的试验数据,建立了统一的等效屈服准则(EYC),对两种单晶合金非常规取向宏观屈服强度的预测精度在可接受范围内。将晶体学弹性本构模型与EYC编制为ABAQUS/UMAT用户子程序,计算了DD6单晶叶片在873种取向条件下的静强度储备系数。结果表明:取向相关的屈服强度分析方法简单有效,较适于工程应用;所开发的单晶叶片计算工具可快速评估单晶叶片静强度;不同晶体取向条件下该型单晶叶片叶身在最大状态下的静强度储备系数在1.8~2.8之间;此型叶片静强度在一定程度上受到晶体取向随机性的影响,但不同取向下其储备系数都满足准则要求。     

晶体取向对第四代单晶高温合金DD15高周疲劳性能的影响

在定向炉中分别采用籽晶法制备了[001]、[011]和[111]3种不同取向的第四代单晶高温合金DD15,在800℃研究了不同取向的高周疲劳性能,分析了合金不同取向的显微组织、疲劳断口形貌和疲劳断裂组织.结果表明:在凝固方向横截面上不同取向合金的铸态枝晶和热处理γ′相组织明显不同.合金800℃的高周疲劳性能存在各向异性...     

单晶镍基高温合金在600～760℃下的低循环疲劳行为

研究[001]晶体取向的第二代单晶镍基高温合金DD6中温段下的低循环疲劳行为,实验温度为600℃,650℃,700℃和760℃,应变比为–1。结果表明:在此温度范围内,合金呈现循环硬化特性;随着温度的升高,[001]晶体取向DD6合金的弹性模量有所降低,合金的应变-寿命关系与温度相关。采用考虑温度影响修正的循环损伤累积(CDA)模型对[001]晶体取向DD6合金在中温段下的低循环疲劳寿命进行统一预测,预测寿命值位于实验结果的±3倍分散带以内。     

基于筏化的镍基单晶合金高温蠕变模型

采用应力法以及界面能法对不同取向的镍基单晶合金在950℃下的筏化类型进行了预测.上述两种方法的筏化预测结果一致,[001]取向为N型筏化,[011]取向为P型筏化,[111]取向不筏化.进一步,根据筏化预测结果以及晶体滑移理论,结合Kachanov-Robotnov（K-R）损伤演化公式,建立了一个镍基单晶合金蠕变模型,采用该模型并结合商用有限元软件Abaqus的用户材料子程序（UMAT）二次开发接口,对[001],[011]和[111]取向下的CMSX-4镍基单晶合金,在950℃,180~450MPa应力条件下的蠕变变形行为进行了模拟.该模型能够准确预测镍基单晶合金的筏化类型以及滑移系开动规律,更加符合材料的蠕变变形物理机制,因此模型可以对镍基单晶合金的高温蠕变曲线的第2,3阶段进行很好的模拟,并得到了试验的验证.      

SiCw／Al复合材料时效行为的研究

研究了６０６１Ａｌ合金和ＳｉＣＷ／６０６１Ａｌ复合材料在１７０℃、１９０℃和２２０℃三种温度下的时效析出行为，分析了峰时效温度对６０６１Ａｌ合金和ＳｉＣＷ／６０６１Ａｌ复合材料拉伸性能的影响。研究结果表明，６０６１Ａｌ合金弹性模量不随峰时效温度的提高而发生变化，屈服强度和抗拉强度随峰时效温度的提高而略有下降；ＳｉＣＷ／６０６１Ａｌ复合材料的弹性模量则随峰时效温度的提高而略有下降，ＳｉＣＷ／６０６１Ａｌ复合材料屈服强度和抗拉强度随峰时效温度的提高而明显降低。     

镍基单晶合金叶片振动特性分析

利用通用有限元程序Marc分析了单晶叶片的振动特性,考虑了取向、温度和转速的影响。计算结果表明,[111]取向的固有频率大于[001]取向的,取向对高阶固有频率的影响比低阶的大;温度升高,固有频率下降;随着转速增加,固有频率也在增加。转速对[001]取向固有频率的影响要比[111]取向的大。在工作状态下,转速对低阶频率的影响大,对高阶频率的影响则比较小。     

各向异性单晶叶片强度寿命研究—第Ⅱ部分:实验研究

单晶叶片技术是提高航空发动机及地面燃气轮机性能、寿命及可靠性的关键技术之一，但单晶材料机械、力学性能的各向异性特性制约了其发展和应用，对其工程应用及应用的理论基础提出了挑战。课题组开展了各向异性单晶叶片强度分析和寿命预测方面的一些研究工作。包括：建立并验证了弹塑性、蠕变滑移本构模型及蠕变持久寿命预测方法；进行了不同晶体取向DD3单晶在不同温度、不同速率或不同温度、不同应力水平下的拉伸试验及蠕变试验，这些实验数据及由其反映的单晶中、高温各向异性特性对单晶材料的应用具有重要意义。此外还进行了某种单晶叶片的实验研究。作为上述研究的应用，对某发动机单晶涡轮叶片进行了强度分析和寿命预测。本文这一部分介绍试验研究工作，本构模型及其应用已在本文第I部分作了介绍。     

各向异性单晶叶片强度寿命研究—第I部分:晶体滑移本构模型及应用

单晶叶片技术是提高航空发动机及地面燃气轮机性能、寿命及可靠性的关键技术之一，但单晶材料机械、力学性能的各向异性特性制约了其发展和应用，对其工程应用及应用的理论基础提出了挑战。课题组开展了各向异性单晶叶片强度分析和寿命预测方面的一些研究工作。包括：建立并验证了弹塑性、蠕变滑移本构模型及蠕变持久寿命预测方法；进行了不同晶体取向DD3单晶在不同温度、不同速率或不同温度、不同应力水平下的拉伸试验及蠕变试验，这些实验数据及由其反映的单晶中、高温各向异性特性对单晶材料的应用具有重要意义。此外还进行了某种单晶叶片的实验研究。作为上述研究的应用，对某发动机单晶涡轮叶片进行了强度分析和寿命预测。本文这一部分介绍本构模型及应用，实验研究将在第II部分介绍。     

高温下DD6单晶气冷叶片模拟试样拉伸性能试验

通过选晶法制备DD6单晶薄壁圆管模拟试样,对850℃和980℃两种温度下[001]晶体取向含与不含气膜孔的薄壁试管进行拉伸性能试验研究.结果表明:在850℃条件下,[001]取向含气膜孔的拉伸性能比[001]取向不含气膜孔的拉伸性能降低10.5%;在980℃条件下,[001]取向含气膜孔的拉伸性能与[001]取向不含气膜孔的拉伸性能水平相当,这表明温度越高,气膜孔对薄壁件拉伸性能的影响越不显著;但在980℃ 条件下,[001]取向通气状态的拉伸强度比不通气状态下的拉伸强度提高16%.同时,发现圆管表面状态及通气状态是影响单晶薄壁试样高温性能的重要因素,特别是通气状态的存在显著提高了其高温力学性能.      

镍基单晶合金叶片疲劳寿命预测方法研究

研究了3种针对镍基单晶合金各向异性低循环疲劳寿命建模的方法,分别为基于单晶合金弹性模量与晶体取向相关性的方法,与各向异性屈服函数相关的方法和传统滑移系的方法。对基于屈服函数的方法进行了修正以将其应用于单晶合金。利用公开文献中DD3单晶合金的低循环疲劳数据对修正的模型进行了验证,并对采用这3种方法得到的数据进行了比较。结果表明:修正的疲劳寿命模型和基于取向函数的寿命模型的预测结果与试验数据相比基本落在3倍分散带内,而采用基于滑移系的方法所得结果在4倍分散带内。基于屈服函数的修正模型和另外2种模型均可以较好地与3维有限元应力分析直接衔接,便于涡轮叶片结构级的寿命预测。     

TC4钛合金扩散焊接头的力学性能

在温度为910℃，压力为3.4MPa条件下对TC4钛合金板材进行了扩散焊接，对获得的扩散焊接头取样进行金相观察，仅在接近接头表面材料深度为1mm范围内发现未焊合缺陷，其余部分焊合较好，表明在给定工艺下可获得质量良好的焊接头.随后对TC4扩散焊接头的力学性能进行了试验研究，分别开展了静拉伸试验、断裂韧性试验及焊缝附近区域的纳米压痕试验.试验结果表明，所制得的TC4扩散焊接头屈服强度为887MPa，抗拉强度为948MPa，断裂韧性为101.9MPa·m1/2，均与原材料的性能相差不大.纳米压痕试验的结果显示，接头焊缝区和母材区的显微弹性模量分别为180.2GPa和178.0GPa.      

EB-PVD热障涂层对IC10合金力学性能的影响

采用电弧离子镀技术在IC20合金基体上制备NiCrAlYSi粘结层,利用电子束物理气相沉积（EB—PVD）技术在粘结层上制备YSZ陶瓷面层。研究了YSZ热障涂层对IC10合金拉伸、持久、疲劳性能的影响。结果表明：IC10合金沉积YSZ热障涂层后,980℃／200MPa高温持久寿命与IC10合金相当;900℃高温抗拉强度σb、屈服强度σ0.2、伸长率占和断面收缩率砂与基体相比,基本保持不变;室温抗拉强度σb。屈服强度σ0.2：与基体相比稍有下降;800℃／447MPa疲劳寿命与基体合金相当。因此,IC10合金沉积TBCs涂层后,对IC10合金力学性能无明显影响,不影响合金的实际使用。     

不同时效状态3J21合金拉伸性能

文摘在万能拉伸试验机上对大气环境下欠时效态、峰时效态和过时效态3 J21合金的拉伸性能进行研究,并采用金相显微镜、X射线衍射仪对各时效态金相组织及物相进行分析,采用TEM对固溶态、时效态试样及拉伸断口附近形变的显微组织进行分析,采用扫描电镜对拉伸断口进行观察。结果表明,峰时效态3 J21合金的拉伸强度和屈服强度均略高于欠时效态和过时效态合金,但其伸长率略低于欠时效态和过时效态合金;各时效态合金的拉伸断口均为韧窝断口,欠时效态合金断口附近显微组织中滑移线之间的距离最小,峰时效态合金滑移线之间的距离最大,而过时效态合金滑移线之间的距离介于两者之间。     

TA16钛合金导管的自动钨极旋转氩弧焊

针对2种规格的TA16钛合金导管开展不加填充的自动钨极旋转氩弧焊工艺试验,确定最佳的焊接工艺参数,并对其焊接接头的质量和性能进行了分析.结果表明:采用自动氩弧焊工艺焊接TA16钛合金导管,能够获得良好的焊接接头;接头室温拉伸强度能达到母材的95%以上;随着温度的升高,TA16导管接头的拉伸强度逐渐下降.