镍基单晶蠕变研究：试验、机理及本构模型

本文为镍基单晶合金高温蠕变建模研究工作的第一部分,通过对DD6镍基单晶合金不同中断时间的高温蠕变试验及透射电镜（TEM）观察,结合单晶合金蠕变机理的研究成果阐明了单晶高温蠕变的机理,并从Orowan方程出发,在晶体塑性理论框架下建立描述晶体滑移系上位错演化规律的方程,发展了以位错密度变化表征镍基单晶高温蠕变的本构模型。该模型考虑了较宽温度与载荷范围内单晶的主要蠕变机理,可较好地建模750℃～1100℃范围内镍基单晶的各向异性蠕变行为。     

基于多种莫来石纤维的硅基陶瓷型芯增强机制及性能研究

分别以多晶、非晶莫来石纤维为增强相制备氧化硅基陶瓷型芯,探究纤维种类对型芯性能的影响。非晶纤维在促进方石英析晶、降低收缩率、提高气孔率方面的效果低于多晶纤维。相比于多晶纤维,非晶纤维具有较多结构缺陷,纤维与基体通过扩散传质形成紧密的结合,显著提高型芯的强度和抗蠕变性能,而且非晶纤维的亚稳态结构在碱性溶液中具有较高的化学活性,使型芯表现出优良的溶蚀性。非晶莫来石纤维质量分数为3%的硅基陶瓷型芯表现出优异的综合性能,其室温弯曲强度达27.7 MPa,高温弯曲强度为22.4 MPa,高温蠕变为0.31 mm,溶蚀率为1.26g/min,能够很好地满足空心叶片的浇注需求。     

应力对第3代单晶高温合金超高温蠕变断裂机制的影响

对第3代单晶高温合金DD33进行了1150℃,80～150 MPa的蠕变测试,借助SEM、EBSD、EDS和TEM研究了不同应力下蠕变断口形貌和截面损伤特征,分析了应力对蠕变断裂机制的影响。结果表明,不同应力条件下近断口铸孔普遍发生多面体化且沿端角开裂,与低应力条件相比,150 MPa下可观察到较多蠕变孔及其诱发的裂纹。80 MPa下,由于长时间暴露,样品表面产生较厚的氧化影响区,使有效应力提高了35 MPa;断口附近局部可见TCP相,并在其与γ′相界面产生较多孔洞和裂纹。随着应力进一步增加,深入基体的表层裂纹增多,更多碳化物开裂,但组织中未发现TCP相。因此,不同应力下合金的最终断裂除了与内部孔洞开裂、彼此联结直接相关外,还应考虑氧化影响区、深入基体内部的表层裂纹、TCP/γ′界面裂纹以及开裂碳化物的贡献。     

第三代单晶高温合金

最近出现的第三代单晶高温合金ＣＭＳＳＸ－１０、ＲｅｎｅＮ６，其蠕变断裂性能比第二代单晶合金高约３０℃。其成分的特点是含铼量高（达６％），含铬量低（约３％）但环境性能良好。据报道，第三代单晶合金已用作研制中的推重比为１０的航空发动机Ｆ１１９的叶片材料。     

强化处理对单晶叶片用氧化铝基陶瓷型芯的影响

对一种单晶叶片用的氧化铝基陶瓷型芯材料进行了特定的强化处理，研究其对型芯组织和性能的影响，发现强化后的陶瓷型芯体内形成了片状的莫来石晶体，其线膨胀峰值温度要比未经强化的型芯高出２００℃以上，高温性能得到了显著提高。     

航空航天用高温合金发展途径

本文对提高合金化、微合金化、单晶高温合金的热稳定性问题从热力学、动力学、金相学的角度提出了一些新观点,并对金属间化合物,机械化金化高温合金的研究和应用作了简要评估。     

纳米单晶氩机械拉伸性质的分子动力学模拟

采用分子动力学(MD)方法对纳米单晶氩杆进行了机械拉伸变形和断裂的模拟研究。在拉伸过程中可以观察到原子位错,间隙的形成,裂纹的出现,以及后来的断裂分离等现象,与宏观的拉伸试样相似。MD模拟的拉伸试样的真实应力应变图显示,纳米单晶氩杆随着应变的增加应力略有增加,超过某一应变值后,应力急剧增加到最大值。随后,在加载速率较大时试样突然脆性断裂,在加载速率较小时应力却有一个突然的下降变负过程。这说明加载速率对材料的强度影响很大,当加载速度分别为2.16m/s和6.49m/s时,纳米单晶氩材料相应的断裂强度为2.6GPa和6.6GPa。纳米单晶氩材料在断裂前经历了一个较大的塑性变形过程,但其断裂方式却是完全脆性的。另外,纳米单晶氩材料在自由边界条件下充分弛豫后在垂直于拉伸的方向有轻微的收缩,不同于Al,Cu,Ni等具有FCC晶格结构的纳米单晶材料由于内力的作用引起轻微膨胀。     

DD6单晶合金循环蠕变性能研究

采用含与不含气膜孔平板试样,研究了[001]、[011]和[111]晶体取向在980℃不同保载时间和应力条件下的镍基单晶合金DD6的循环蠕变性能。研究发现,DD6单晶合金的高温蠕变疲劳性能存在明显的方向性,试样形状及表面状态是影响单晶合金寿命的重要因素,特别是气膜孔的存在显著地降低了材料的循环蠕变寿命;不含气膜孔平板试样蠕变损伤起主要作用,含气膜孔平板试样疲劳损伤起主要作用。同时,在高温条件下,不同保载时间的蠕变和疲劳损伤对试件的破坏起重要作用,蠕变与疲劳的交互作用会大大缩短材料的使用寿命。     

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。