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。     

异形气膜孔对镍基单晶合金蠕变性能的影响

为满足航空发动机涡轮进口温度不断提升的要求,通常采用气膜冷却技术来有效降低叶片壁面温度。然而气膜孔的存在破坏了叶片结构的几何完整性,在离心载荷与热载荷的影响下易发生蠕变断裂。因此开展气膜孔对镍基单晶叶片蠕变性能的研究具有重要意义。通过开展1 000℃/300 MPa下圆柱形、簸箕形和燕尾形3种气膜孔试验件的蠕变试验和有限元仿真,结合微观表征手段研究了气膜孔孔型对DD6单晶高温合金蠕变损伤的影响机理。结果表明：圆柱孔和簸箕孔的平均蠕变寿命相似,较燕尾孔分别提升了17.4%和15.9%。从断口分析可知,含孔板件的蠕变断裂是由于孔边应力集中引起,裂纹主要萌生于孔边位置。扫描电子显微镜（SEM）、电子背散射衍射（EBSD）和有限元仿真表明,塑性变形区与仿真高应力区相对应,且γ′相筏化形貌与应力分布有关,同时应力越高的地方氧化越显著;能谱仪（EDS）对氧化物的分析结果表明氧化物主要分为3层：外层为Ni O和Co O,中间层为Cr、Ni和Ta的混合物,内层为Al₂O₃。氧化层附近存在γ′相溶解,孔边的塑性变形与γ′相溶解促进了再结晶的形成。     

DD3单晶高温合金拉伸蠕变各向异性

研究了镍基单晶高温合金ＤＤ３（００１）,（０１１）,（１１１）取向光滑圆拉伸试样在７６０℃,８５０℃,９５０℃典型应力条件下的拉伸蠕变特征。试验发现,在较高蠕变应力水平时,ＤＤ３ 单晶合金具有明显且复杂的拉伸蠕变各向异性,且蠕变变形率及其对应力增加的敏感性的强弱顺序会随温度变化而发生变化。这归因于该合金的成分特征、蠕变应力、晶体取向决定的蠕变主滑移系类型（八面体、立方及二者混合）及位错移动动力学特点的不同     

DD6镍基单晶合金气膜孔薄壁平板高温蠕变性能

采用气膜孔薄壁平板试样模拟冷却叶片,并与无气膜孔薄壁平板试样蠕变试验结果进行对比,研究了气膜孔对镍基单晶合金冷却叶片模拟试样高温持久断裂寿命的影响.试验结果表明:在950℃和377MPa条件下,无气膜孔薄壁平板试样的高温持久断裂寿命大约是气膜孔薄壁平板试样的2倍,扫描电镜(SEM)断口分析可以看出蠕变损伤首先发源于气膜孔周围并在气膜孔边缘开始起裂.基于晶体塑性理论建立单晶材料蠕变数值计算模型,将其编入Abaqus用户子程序中,对气膜孔和无气膜孔两种薄壁平板试样进行模拟分析.模拟结果显示在气膜孔周边存在应力集中和应力重分布,数值模拟分析结果与试样的断口表面形貌吻合.为便于工程应用,将高温持久断裂寿命与十二面体滑移系最大分切应力幅表达成指数关系,蠕变试验结果表明此式在该应力、温度条件下具有良好的精度.     

单晶高温合金持久性能各向异性分析

为阐述单晶高温合金持久性能各向异性规律,收集了 Mar-M247、RR2000、DD6、PWA1484、CMSX-2、CMSX-4、Alloy454与SC7-14合金的持久寿命数据,调研文献探索其影响因素,总结了近<001>取向小角偏离对持久寿命的影响,研究晶体取向与持久寿命间的关系,定量分析了温度对持久性能各向异性的...     

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.     

友对IN718合金蠕变性能的影响

研究了常规和掺杂０．０２ｗｔ％硫的ＩＮ７１８合金的蠕变行为。结果表明,硫降低ＩＮ７１８合金的蠕变抗力,,使表观蠕为激活能由６７８．５ｋＪ／ｍｏｌ减小到６３４．８ｋＪ／ｍｏｌ。计算表明,硫的危害主要来源地其对晶界扩散的促进作用。     

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.      

硫对IN718合金蠕变性能的影响

研究了常规和掺杂０．０２ｗｔ％硫的ＩＮ７１８合金的蠕变行为。结果表明,硫降低ＩＮ７１８合金的蠕变抗力,使表观蠕变激活能由６７８．５ｋＪ／ｍｏｌ减小到６３４．８ｋＪ／ｍｏｌ。计算表明,硫的危害主要来源于其对晶界扩散的促进作用     

单晶镍基合金稳态蠕变期间的内应力及影响因素

通过对［００１］取向单晶镍基合金稳态蠕变期间位错运动内应力的测定及ＥＤＡＸ微区成分分析,研究了两种合金的抗蠕变性能。结果表明,随温度的提高,合金２中γ′相尺寸和体积分数明显减少,而合金１中高浓度的Ａｌ,Ｔａ元素使γ′相保持较高的体积分数,这是合金１蠕变抗力优于合金２的主要原因。     

一种含Re单晶镍基合金的高温蠕变行为

通过测定蠕变曲线及位错运动的内摩擦应力(σ0),研究了一种含Re单品镍基合金的蠕变行为,并计算出稳态蠕变期间的表观蠕变激活能及应力指数.结果表明:在稳态蠕变期间位错运动的内摩擦应力(σ0),随外加应力的提高略有提高,随温度的升高而明显降低.在蠕变初期,γ'相沿垂直于应力轴方向形成N型筏状结构,随蠕变进行,筏状γ'相发生粗化,且距离断口越近,筏状γ'相粗化及扭曲程度越严重,其中,由于颈缩使样品近断口区域承受最大有效应力,是使筏状γ'相粗化及扭曲加剧的主要原因.蠕变后期,合金的变形机制是位错剪切筏状γ'相.     

镍基单晶合金涡轮叶片蠕变分析的MARC用户子程序开发

基于通用有限元软件MARC开发了用于模拟单晶合金材料蠕变性能的用户子程序CRPLAW。该子程序采用经典Norton蠕变本构方程，可以模拟单晶材料在不同温度和不同取向下的蠕变性能。利用CRPLAW对镍基单晶叶片进行蠕变分析，得到了较为满意的结果。通过修改蠕变参数，CRPLAW也可以用来模拟其它晶体合金的蠕变性能。     

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。     

预时效处理对镍基单晶合金组织与性能的影响

利用光学金相、ＳＥＭ、ＴＥＭ等多种分析手段研究了预时效处理对单晶高温合金ＣＭＳＸ－３组织的影响，并探讨了不同工艺条件下材料的高皮劳行为，结果表明，采用适当的预时效处理工艺可有效消除组织与成分的不均匀性，获得合适的γ相析出形态及尺寸，并提高材料的高温疲劳寿命。     

硬铝合金2A12的蠕变损伤行为及分析

在210℃、不同载荷下对硬铝合金2A12板状试样进行了单轴拉伸蠕变实验,得到了硬铝的蠕变损伤参数以及断裂时的部位和损伤度.在此基础上建立了硬铝合金2A12板蠕变试样的有限元模型,基于简化的K-R损伤模型,分析了在210℃、恒载荷条件下的试样应变、损伤等随时间的变化规律以及试样蠕变损伤与位置的关系.结果表明,数值模拟与试验结果基本一致,试样中心蠕变曲线都具有稳态阶段和损伤扩展阶段,与单轴试验的应变曲线十分相似.整个试样在离中心大约9～10mm处损伤比较严重,呈现明显局部化特征.     

DD402单晶合金在小发涡轮工作叶片上的应用

论述了所研制DD402单晶合金的化学成分、显微组织、热处理及长期组织稳定性、物理性能、力学性能、化学性能等。通过考核试车和试飞证明,用该合金制造的小型航空发动机涡轮工作叶片工作正常。这一成果可供航空发动机设计人员和工艺人员在新机研制和生产中借鉴。     

单晶硅超精密切削表面质量各向异性的研究

分析了单晶硅超精密切削时被加工晶面和滑移面间的相对关系以及单晶硅的力学特性,基于单晶硅超精密切削加工脆塑转变机理,模拟了分别以单晶硅(111)(、110)(、100)晶面为被加工面时的表面质量的各向异性特性。模拟结果表明这些晶面在不同晶向方向上表面质量呈现明显的各向异性特性,而以单晶硅(111)晶面作为被加工面时可以得到最好的加工表面质量。     

单晶涡轮叶片材料本构模型及应用研究

综述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程,这些工作包括;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。蠕变,疲劳及热疲劳试验。开发了大型单晶结构有限元分析软件SLAPSC和ABAQUS的umat;用双剪切试样和模拟叶片等系列试验对模型和有限元进行考核。并应用上述试验研究的结果,对某发动机单晶涡轮叶片进行了强度分析和寿命预测。     

镍基单晶合金中空穴绕夹杂形核及后续演化的有限元分析

 采用内聚力单元模拟镍基单晶合金中基体与夹杂之间的界面,对镍基单晶合金中空穴绕夹杂形核及扩张的过程进行了初步的分析。夹杂-基体界面的粘结强度不同,空穴的相对体积分数增长速度存在较大差异。粘结强度越小,空穴越容易形核,空穴扩张的速率越大;粘结强度越大,空穴越难于形核,空穴扩张的速率越小。应力三维度是空穴形核及扩张的主要驱动力,应力三维度越高,空穴形核及扩张的速率越大。应力三维度不同时,基体-夹杂界面开裂的初始位置及裂纹扩展的方式不同。在高应力三维度下空穴的演化由低应力三维度时的形状改变为主变为体积膨胀为主。Lode参数对空穴的形核过程及空穴形成后的扩张有着显著的影响。晶体取向对空穴的形核过程有着显著的影响,不同取向时基体-夹杂界面开裂的初始位置及裂纹扩展的方式不同。晶体取向对空穴的扩张有着显著的影响。在考虑镍基单晶合金的晶体取向相关性时,必须同时考虑Schmid系数、弹性模量和开动的滑移系。     

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。