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。     

镍基单晶涡轮冷却叶片力学性能表征技术研究新进展

镍基单晶涡轮叶片作为20世纪80年代以来航空发动机重大技术之一,近几年的发展相当迅速,相继开发了几代单晶合金,目前被广泛应用于先进的在役和在研的航空发动机,为大幅度提高发动机性能作出了重大贡献。     

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。     

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。     

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。     

在DD3单晶上进行FGH95粉末激光多层涂覆:单晶涂层组织形式规律研究

利用高温合金 FGH95粉末在 DD3单晶的不同晶面上进行激光多层涂覆实验 ,深入研究了涂覆层中凝固显微组织的生长规律。研究表明基材的晶体取向和局部凝固条件对涂层中的凝固显微组织有很大的影响。当单晶基材择优晶向与热流方向夹角小于 30°时 ,可以得到从基材上外延生长的单晶 ,涂层内二次臂退化 ,枝晶一次间距为 10～ 2 0 μm;当实验所在的单晶基材的择优晶向与热流的方向夹角大于 30°时 ,涂层中晶体取向偏离基材的取向 ,并出现多晶。即便当实验在同一个择优晶面上进行时 ,局部凝固条件不同 ,涂层内的凝固显微组织也有很大的差别。二次臂退化 ,一次臂间距大约为 10～ 2 0 μm。进一步的研究表明 ,涂层中主要组成相为枝晶干上分布的基体相 γ和沉淀硬化相 γ′以及枝晶间的 γ+γ′花状共晶和少量碳化物 ,γ′相主要为具有良好强化效果的细小立方体 ,尺度约为 0 .1μm     

镍基单晶合金DD3的寿命预测模型

探讨了镍基单晶合金在承受机械载荷和温度载荷时的寿命预测模型。基于疲劳 -蠕变试验及热机械疲劳 -蠕变试验 ,分析了各影响寿命的主要因素。典型断口的 SEM分析表明 :断口由小剖面组成 ,在小剖面的中心 (附近 )有形核于铸造缺陷的小空穴 ,这些小孔洞有不同程度的长大 ,相对于蠕变 ,疲劳断口的小空穴数量 (密度 )明显增加。详细的观察表明 ,这些空穴对高温带保载的疲劳断口而言 ,承受拉伸保载的断口上的空穴明显较承受压缩保载断口上的空穴大。概括而言 ,镍基单晶合金的破坏受到的影响为空穴扩张和材料消耗 ,对蠕变、疲劳和热疲劳都相同。针对镍基单晶合金叶片的温度、载荷特点 ,可以用线形寿命模型统一描述工作寿命。     

循环频率对CMSX—3单晶合金高温疲劳行为的影响

利用MTS材料试验系统和光学金相、SEM、TEM等分析手段研究了镍单晶高温合金CMSX－3的高温疲劳行为，重点探讨了循环频率对这种行为的影响。结果表明，循环频率的增加会导致合金高渐疲劳寿命的下降及不同的变形机制。     

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单晶合金的高温蠕变/疲劳损伤研究

利用高频感应加热的方法对DD6单晶合金的高温蠕变／疲劳损伤性能损伤统一本构方程对其各向异性特点和损伤发展规律进行了有限元数值计算。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，同时在高温条件下蠕变损伤对试件破坏起重要作用，蠕变与疲劳的交互作用会大大缩短材料的循环寿命。