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。     

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.      

DD3单晶高温合金慢拉伸断裂行为的研究

研究了镍基单晶高温合金ＤＤ３在五种不同温度下的慢拉伸（拉伸速率为０．０５ｍｍ／ｍｉｎ）的断裂行为。试验结果表明：杨氏模量在室温与８７３Ｋ之间具有反常变化，在８７３Ｋ以上ＤＤ３的弹性模量与温度关系具有正常变化；ＤＤ３单晶高温合金的屈服强度在室温和１０３３Ｋ（极点温度）之间保持不变，在１０３３Ｋ以上，屈服强度随温度升高急剧下降；在极点温度处ＤＤ３的延伸率最差；扫描电镜观察表明：从室温一直到１０３３Ｋ在ＤＤ３的拉伸变形过程中开动的滑移系具有强烈的择优性，从而导致变形的不均匀及断口上断面较平整。ＤＤ３的拉伸断裂在微观上主要呈现韧性断裂特征。     

单晶高温合金接近使用条件下的寿命估算与损伤分析

针对发动机热端部件承受的典型载荷谱，发展了一种通用的寿命预测方程和损伤分析方法。这个方法是在疲劳蠕变交互作用断裂特征图及其最大应力修正的寿命方程基础上建立的。根据ＤＤ３单晶合金的疲劳蠕变交互作用断裂特征图及其最大应力修正的寿命方程，验证了本方法是切实可行的。预测精度是符合要求的。     

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。     

DD6单晶高温合金760℃和1070℃拉伸行为与变形机制

采用拉伸测试、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)等手段研究了第二代单晶高温合金DD6在760℃和1070℃拉伸行为与变形机制。结果表明:DD6单晶高温合金760℃拉伸变形时,大量位错和层错切割γ'相,出现热激活硬化,拉伸应力-应变曲线表现双重阶段,断口为类解理断裂特征;1070℃拉伸变形时,位错主要以绕过γ'相方式在γ相通道运动,拉伸应力-应变曲线表现曲线特征,断口为韧窝断裂特征。     

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。     

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。     

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。     

直接时效处理对热连轧GH4169合金蠕变行为的影响

通过对热连轧GH4169合金进行直接时效处理、蠕变性能测试和组织形貌观察,研究了直接时效对热连轧合金蠕变行为的影响。结果表明:直接时效可明显提高热连轧GH4169合金的蠕变抗力,在660℃/700MPa条件下,使合金的蠕变寿命由60h提高到126h,在试验的温度和应力范围内,测定出该合金在蠕变期间的激活能和应力指数分别为Qa=559.2kJ/mol和n=17.6。合金在热连轧期间的变形特征是孪晶和位错在孪晶内的双取向滑移,且有较小的晶粒尺寸;经直接时效后,合金中弥散析出的细小γ″相是有效提高合金蠕变寿命的主要原因。在蠕变期间,合金的变形特征是孪晶及位错在基体中滑移;蠕变后期,在与应力轴垂直的晶界处首先出现微裂纹,随蠕变进行,微裂纹沿晶界扩展并发生沿晶断裂。     

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。     

热敏液晶测温标定及误差分析

对SPN／R30C20W型热敏液晶的特性进行了实验研究。实验以相机视角、光源强度、液晶厚度等参数作为对象,讨论了3种参数对液晶测温结果的影响。分析结果表明：在视角小于15°时,相机视角对液晶测温的影响可以忽略;光强不同导致由标定曲线计算出的最大温差达到5．5℃;液晶厚度对标定数据有较大的影响。该实验结论在液晶测温领域广泛应用。     

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.      

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。     

热色液晶标定和使用的影响因素

在全面地分析热色液晶测量方法的基础上,实验研究了热色液晶标定和使用的主要影响因素.保持频闪和相机的相对位置以及两者距拍摄窗口的距离一致,在同一色调值下,拍摄方式(无/有拍摄窗口)、有机玻璃拍摄窗厚度、热力方向(加热/冷却)和热色液晶老化分别产生最大约0.5℃,0.2℃,0.26℃和1.2℃的温度差异.转静间隙不影响热色液晶的显色特性.温度与色调的关系主要与频闪仪的发光介质有关.      

单晶高温合金叶片用熔模壳型的研制

介绍了一种加矿化剂的单晶壳型。它具有高强度、壁厚薄而均匀的特点，已应用该壳型成功浇注了单晶叶片。     

铸造温度—速度参数对无碳单晶高温合金组织的影响

研究了在两种定向凝固炉和ISP2/Ⅲ—DS上以不同的铸造参数制得的两种单晶高温合金DD3和36的显微组织,结果表明:在8炉上得到的单晶具有较细的枝晶尺寸、较分散的相组成以及较少的显微疏松,这是因为8炉的固—液界面温度梯度比ISP2/Ⅲ—DS炉高约50％。     

单晶合金蠕变性能影响因素分析

通过分析热处理工艺、元素含量、晶体取向性以及温度和应力对蠕变性能的影响,得出任何1种影响合金蠕变性能的因素其实质都是改变了合金的微观组织,并最终反映到γ′筏形的完善程度S、终端密度TD和线性密度LD上。S值越接近1,γ′筏形的完善程度越好,蠕变寿命就越长;而TD和LD值越大,微观组织图内筏形交叉和中断的数目就越多,蠕变寿命就越短。     

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。