GH4096合金固溶冷却方式对性能和残余应力的影响

为了在保证GH4096合金主要力学性能的前提下,降低薄壁类零件用锻件的内部残余应力,提高零件加工过程的尺寸控制精度,研究空冷,风冷,油冷,盐浴等固溶冷却方式对GH4096合金环锻件析出相的尺寸和形貌、主要力学性能和内部残余应力的影响。结果表明:与采用传统油冷的试件相比,空冷试件的二次、三次γ′相较为粗大,蠕变性能和高温拉伸性能有较大幅度的降低,风冷试件的二次γ′相尺寸略有增大,三次γ′相尺寸相当,蠕变性能和拉伸性能有小幅降低,盐浴冷却试件的二次、三次γ′相尺寸相当,蠕变性能和拉伸性能相差较小。采用风冷的试件内部残余应力可控制在±100 MPa以内,比油冷和盐浴冷却的试件降低50%以上。GH4096合金环件固溶处理冷却方式采用风冷与传统的油冷和盐浴冷却方法相比,可以明显降低锻件内部残余应力,蠕变和高温拉伸等性能只有小幅降低,有助于改善GH4096合金薄壁零件冷加工过程的变形问题,提高尺寸控制精度。     

镍基单晶合金气冷叶片模拟试样的蠕变性能研究

对带孔和不带孔的某第二代镍基单晶合金平板试样进行了蠕变性能试验研究与有限元对比计算.高温蠕变试验表明, 平板试样的晶体取向和是否开孔对蠕变寿命有明显的影响.气膜孔导致蠕变寿命的降低, 对[001]取向的影响大于[111]取向.在高温低应力条件下, [001]取向的蠕变性能要优于[111]取向.有限元分析结果表明, 气膜孔改变了试样中的应力分布, 在孔附近产生了高应力, 导致模拟试验蠕变寿命的降低.有限元计算蠕变持久寿命与试验结果吻合, 说明采用基于分切应力的蠕变持久寿命计算模型是合理的.      

钕对Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si-Nd耐热钛合金蠕变性能的影响

本文研究了在采用常规冶金工艺制备的Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si-Nd合金中,加钕对蠕变性能的影响。试验表明,添加钕(0.1～2.0wt％)可以提高蠕变抗力。进一步的光学显微组织观察和TEM分析表明,蠕变机制包括位错蠕变和晶界滑动蠕变,钕对蠕变性能的改善主要原因于位错网亚晶界对位错的阻碍作用。     

蠕变损伤DZ411合金恢复热处理组织演化

采用固溶+二级时效工艺对蠕变损伤DZ411合金进行常规恢复热处理,研究蠕变损伤合金组织恢复演化过程,并评价其力学性能。结果表明:蠕变损伤的DZ411合金中的一次γ′相发生明显球化和筏化,二次γ′相消失,未发现晶界蠕变孔洞;固溶处理对于回溶粗大形变γ′相,并重新析出细小均匀分布的γ′相至关重要,同时选择合适的固溶温度可避免初熔和再结晶;两级时效处理是优化γ′相尺寸、形态和配比的关键步骤;恢复后可获得大体积分数、双尺寸形态γ′相组织,二次和三次γ′相平均有效直径分别约为0.38μm和0.07μm,其体积分数分别约为47.5%和6.5%;恢复态合金室温强度与原始态合金相近,但在980℃/220 MPa下的持久寿命和伸长率分别达到121 h和13%,略低于原始态合金性能水平。     

单晶镍基合金拉伸蠕变期间γ‘相定向粗化的特征及影响因素

对[001]取向单晶镍基合金恒载拉伸蠕变的组织形貌进行SEM观察和EDAX成分分析,研究了γ′相定向粗化特征及影响因素.结果表明,由于应力场和温度场的差别,蠕变样品不同位置处筏状γ′相粗化尺寸及特征不同,近断口处筏状γ′相扭曲且粗化加剧,随离断口距离增加,γ′相粗化程度减弱;在γ′相定向粗化的扩散场中,分配比值较小且相对稳定的元素W可成为其他元素的扩散障碍,使合金2中γ′相的形筏时间明显延长.     

单晶镍基合金拉伸蠕变期间γ′相定向粗化的特征及影响因素

对[001]取向单晶镍基合金恒载拉伸蠕变的组织形貌进行SEM观察和EDAX成分分析,研究了γ′相定向粗化特征及影响因素.结果表明,由于应力场和温度场的差别,蠕变样品不同位置处筏状γ′相粗化尺寸及特征不同,近断口处筏状γ′相扭曲且粗化加剧,随离断口距离增加,γ′相粗化程度减弱;在γ′相定向粗化的扩散场中,分配比值较小且相对稳定的元素W可成为其他元素的扩散障碍,使合金2中γ′相的形筏时间明显延长.     

一级时效对DD3单晶高温合金蠕变性能的作用

根据DD3合金的热分析和相分析结果,设计了以增大.γ'平均尺寸、改善γ'尺寸分布和提高析出相含量为目的的时效和固溶处理制度,进行了提高DD3单晶高温合金蠕变性能的热处理工艺研究.结果表明,增加一级高温时效处理可使γ'相尺寸明显增大;高温时效温度高于1080℃时,γ'相过分长大;1060℃/4h时效处理后,γ'相组织最优;配合在1265℃/4h的固溶处理,γ'相含量得到提高的同时,合金蠕变、拉伸性能优异.组织与性能研究证明,加入一级高温时效处理的新工艺可使DD3合金组织得到明显优化,760～1038℃范围内的蠕变性能获得显著提高.根据该结果,新的热处理工艺确定为:1265℃/4h,AC+1060℃/4h,Ac+870℃/32h.     

W含量对单晶镍基合金组织与性能的影响

通过对两种成分单晶镍基合金进行蠕变曲线测定,长期时效处理及组织形貌观察,研究了元素W含量对单晶合金组织与性能的影响.结果表明:在Ni-A1-Cr-Ta-Co-x%W-5.5%Mo系单晶合金中,4wt%W合金在982℃,200MPa条件下,具有较长的蠕变寿命,随W含量增加到6wt%,合金的蠕变寿命明显降低.高W合金在有/无应力时效期间,析出针状μ相,使合金基体出现难溶元素的贫化区,是导致合金蠕变寿命降低的主要原因.其中μ相在(001)晶面沿<110>方向呈相互平行、或垂直的针状形貌析出,沿{111}晶面呈片状方式生长,且与γ′相相邻.     

W含量及组织状态对镍基高温合金晶格常数及错配度的影响

通过对镍基合金的组织形貌观察和X射线衍射分析,研究元素W及组织状态对镍基合金晶格常数及错配度的影响。结果表明,7.5%W镍基合金经完全热处理后,立方γ′相以共格方式嵌镶并均匀分布在γ基体相中。随元素W含量增加,合金中γ′和γ两相的合成衍射峰值略有左移,使γ′和γ两相的晶格常数增加,其中γ′相晶格常数增加幅度较大的原因是元素W较大比例地分布在γ′相中,并由此使合金中两相的晶格错配度由负值转变为正值。经完全热处理后,合金中γ和γ′两相有较小的晶格错配度,在高温拉伸蠕变期间外加应力的作用下,γ基体相的晶格常数值增加幅度较大,致使合金中γ′和γ两相晶格错配度的绝对值增加。     

Re对定向凝固Ni基高温合金组织及性能的影响

采用真空感应熔炼和定向凝固重熔技术制备了不同Re含量的Ni基高温合金试样,分析了合金微观组织,测试了热处理后其室温拉伸和高温持久性能。结果表明:Re主要分布于γ基体中,在γ′强化相中分布很少。随着Re含量的增加,γ+γ′共晶体积分数略有增多,枝晶杆γ′细化明显。热处理后γ′立方化程度增加,共晶相含量明显减少。Re的加入显著提高了合金的室温拉伸屈服强度和高温持久寿命,但室温和高温塑性有所降低。Re主要通过固溶在γ基体中来阻碍γ′粗化,增大错配度,从而提高合金综合性能。     

镍基单晶涡轮单晶材料的细观力学研究

本文针对CMSX-4单晶材料,在细观层次上对筏化-解筏以及空穴这两种主要损伤机理进行了细观试验研究。结果表明．空穴在蠕变、疲劳和热机械疲劳损伤中起着重大的作用;蠕变过程中的筏化规律影响材料的蠕变寿命,但细观层次的筏化,影响因素较为复杂。本文的研究结果对准确评定镍基单晶涡轮叶片的剩余寿命具有参考作用。     

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.      

镍基单晶合金高温蠕变筏化模型研究

基于细观两相胞元结构的滑移本构模型, 引入高温蠕变筏化机制, 并与三维胞元应力应变解析模型结合, 模拟了DD3在1 223 K和SRR99在1 123 K及1 253 K下的蠕变筏化.在胞元应力模型中引入细观尺寸变化, 提出了判断γ′筏化类型和方向的准则, 定量模拟了γ′的高温筏化过程.结果表明:本模型对筏化方向的判断和筏化过程的模拟与试验相吻合, 筏化模型的引入使基于细观胞元结构的滑移本构模型可以较准确地模拟单晶材料的高温蠕变行为.      

镍基单晶合金蠕变细观结构演化及表征模拟

分析了NASAIR100在高温下不同应力和温度的蠕变及细观结构演化的异同,得到了材料4个主要的细观结构演化参数及其与蠕变的对应关系,在筏化模型的基础上建立了计及沉淀相筏化过程中厚度和基体通道宽度变化的细观结构演化模型,得到材料沉淀相和基体的细观演化过程及蠕变.结合试验结果,给出了不同细观演化方式对蠕变曲线的影响.在高温下同时考虑基体和沉淀相的4个细观参数变化可以使模型更贴近细观实际,并能较好地模拟材料在不同应力和温度下的蠕变.      

基于细观位错机理的单晶合金高温力学性能模拟

利用基于细观位错运动的蠕变筏化模型对镍基单晶合金CMSX-4在1223K下的拉伸、蠕变、循环、蠕变疲劳交互及各向异性进行模拟,结果表明:拉伸过程中应变率较高时应力略微下降的现象;蠕变条件下应力越大则蠕变第1阶段越明显,而蠕变稳定阶段越短的趋势;蠕变疲劳交互作用下的应力松弛和应变增大;以及单晶3个典型晶体取向的循环应变硬化特征。通过与试验结果对比,验证了此模型在较高温度下对单晶合金性能的综合模拟能力。     

镍基单晶蠕变研究：基于晶体塑性的蠕变模型

在镍基单晶合金高温蠕变建模工作的第二部分,通过提出的蠕变材料模型,在晶体塑性理论的变形梯度与滑移系剪切应变率关系的基础上结合不同温度下不同滑移系上的蠕变机理,最终建立起滑移系上行为与材料结构变形的联系。材料本构方程的积分采用了四阶Runge-utta法,并通过对DD3和 CMSX-4两种材料在不同温度,晶体取向和应力水平下的试验曲线进行计算模拟,说明了模型及算法的可行性及对较宽的温度、应力和晶体取向下蠕变行为模拟的能力。     

涡轮叶片合金筏化量化表征及寿命退化研究

针对单晶/定向凝固涡轮叶片服役过程中微观组织筏化及其造成的叶片力学性能劣化问题,发展了一种基于旋转割线方法的微结构筏化参数提取方法,并提出筏化状态的量化表征因子。对不同组织筏化和粗化状态的定向凝固高温合金开展高温低周疲劳试验,建立了量化筏化状态和合金疲劳寿命退化的映射关系。结果表明:无论是粗化还是筏化都会造成合金疲劳寿命的大幅劣化,所建立的镍基高温合金筏化量化因子能够有效地表征合金疲劳寿命的衰减。     

镍基单晶合金蠕变研究:基于晶体塑性的蠕变建模

在镍基单晶合金高温蠕变建模工作的第二部分,通过提出的蠕变材料模型,在晶体塑性理论的变形梯度与滑移系剪切应变率关系的基础上,结合不同温度下不同滑移系上的蠕变机理,最终建立起滑移系上行为与材料结构变形的联系.材料本构方程的积分采用了四阶Runge-Kutta法,并通过对DD3和CMSX-4两种材料在不同温度,晶体取向和应力水平下的试验曲线进行计算模拟,说明了模型及算法的可行性及对较宽的温度、应力和晶体取向下蠕变行为模拟的能力.      

Ni3Al基单晶高温合金蠕变本构模型

结合Ni3Al基单晶高温合金蠕变行为的细观机理,在晶体滑移理论的基础上,建立了描述Ni3Al基单晶高温合金蠕变行为的本构模型,并通过ANSYS提供的UPFs二次开发平台对所建立的本构模型进行了有限元实现。利用蠕变试验数据,结合遗传算法获取了两种Ni3Al基材料的蠕变本构模型参数。利用所建立的蠕变本构模型对两种Ni3Al基材料的高温拉伸试件进行了有限元模拟,与试验结果吻合良好。这表明在晶体滑移理论基础上建立的本构模型是合理的,并且能够较好地描述Ni3Al基单晶高温合金三个阶段的蠕变行为,具有一定的应用价值。