DD100镍基单晶合金的高温断裂分析

通过对DD100单晶合金组织、断裂等方面的研究，探讨了影响单晶的断裂延性的因素。当DD100单晶合金中加入适量Hf元素后，单晶合金中无明显的疏松孔洞，γ／γ'共晶数量增加。发生瞬间断裂的不含Hf元素的试样中存在亚晶界、疏松孔洞以及γ／γ'共晶，但亚晶界的危害超过后两者。     

盐雾腐蚀对热障涂层高温循环氧化性能的影响

利用电子束物理气相沉积法在Ni基高温合金表面制备了(ZrO₂＋MCrAlY)双层结构热障涂层。研究了常温盐雾腐蚀对其循环氧化行为的影响。试验结果表明涂层经过常温盐雾腐蚀后,陶瓷层的裂纹发生扩展,氧化锆晶体挤压、变形,同时由于常温盐雾环境的作用导致涂层在高温氧化过程中粘结层氧化严重,生成的热生长氧化层产生较大的体积膨胀效应,导致应力集中,降低了涂层的高温循环氧化性能,缩短了涂层的寿命。     

过渡液相扩散焊连接工艺参数对DD407母材液化的影响

为了将瞬间液相扩散焊的液相形成过程与固相扩散焊复合,充分利用TLP及固相扩散焊的优点,需要研究接头界面处母材液化规律。选用DD407镍基单晶高温合金作为试验材料,中间层合金采用含B为3.5%的BNi9进行TLP连接,观察母材液化宽度和接头宽度在不同工艺参数下的变化。通过分析得到:母材液化区宽度随着加热温度升高及保温时间增长而增加,在焊接温度为1100℃,保温时间为5min,中间层厚度为150μm的情况下,母材液化的宽度达到65.8μm;中间层厚度对母材液化的影响程度相对较大,主要降熔元素B的总量增加;TLP连接过程中,母材液化的过程为降熔元素B不断向母材中扩散,导致母材液化宽度增加,但随着扩散的进行,B元素的含量逐渐降低引起等温凝固,从而在一定程度上影响了表面清理的效果。     

GH4169孔挤压强化工艺过程数值模拟

在验证镍基高温合金GH4169中心孔挤压(CE)三维有限元模型正确性的基础上,利用单元删除法研究倒角、孔挤压-倒角顺序和铰削量3种具体工艺过程对孔边周向残余应力分布的影响。结果表明:孔边小于芯棒过盈量的初始倒角可以减小孔挤压后残余压应力;采用孔挤压-倒角的工艺顺序可以在孔边获得更小的残余压应力。铰孔可增大孔边入口处残余压应力,去除残余压应力极小值部分的材料。因此,在挤压强化后应尽量避免铰孔。     

气膜孔倾角角度对单晶高温合金疲劳性能的影响(“两机”专刊)

为了研究气膜孔倾角角度对单晶高温合金疲劳性能的影响,设计倾角30°,45°,90°的14孔平板试样进行了同等应力水平下的高温疲劳试验,并对断裂后失效试件进行断口分析。基于晶体塑性理论,对不同倾角气膜孔平板件进行数值计算,分析孔边局部应力及损伤演化。结果表明,气膜孔倾角角度对疲劳性能影响显著,疲劳寿命90°>30°>45°,且45°倾角气膜孔孔边裂纹数明显多于其他两种。数值模拟显示,90°孔每个循环累积的应变相对较小,30°斜孔次之,45°斜孔最大,且 45°斜孔和 30°斜孔的棘轮应变累积速率明显高于直孔,30°斜孔的损伤和直孔的损伤较为接近,45°斜孔的损伤最大,数值分析与实验结果相一致。     

Stress-controlled LCF experiments and ratcheting behaviour simulation of a nickel-based single crystal superalloy with [001] orientation

Uniaxial ratcheting behaviour and low cycle fatigue (LCF) failure mechanism of nickel-based single crystal superalloy DD6 with [001] orientation are investigated through the stress-controlled LCF tests with stress ratio of −1. Then the deformation behaviour during the whole-lifetime from the beginning of the experiment to the fracture of the specimen, as well as the fractographic/metallographic morphology, are compared with the strain-controlled LCF experimental results. Through the scanning electron microscope (SEM) observations, it is shown that the failure characteristics under stress-controlled LCF loading are similar with those under strain-controlled loading. Nevertheless, unlike strain-controlled LCF loading, even under fully reversed cycle loading for stress-controlled LCF, DD6 shows significant ratcheting behaviour due to the tension-compression asymmetry. In addition, the LCF lifetimes under stress control are significantly shorter than the LCF lifetimes under strain control, and the culprit might be the detrimental effect of ratcheting strain on LCF lifetime. Based on these phenomena, an improved crystal plasticity constitutive model on the basis of slip-based Walker constitutive model is developed through modifying the kinematic hardening rule in order to overcome the inaccurate prediction of decelerating stage and stable stage of ratcheting behaviour. Furthermore, combining the continuum damage mechanics, a damage-coupled crystal plasticity constitutive model is proposed to reflect the damage behaviour of DD6 and the accelerating stage of ratcheting behaviour. The simulation results for the stress-controlled LCF deformation behaviour including the whole-lifetime ratcheting behaviour show good agreement with the experimental data.     

微量元素C和Mg对一种镍基高温合金组织和力学性能的影响

通过对微量元素C,Mg含量的调整,来研究C,Mg元素对一种镍基合金组织及性能的影响,结果表明:C含量不足时,合金组织中碳化物数量少,在合金组织中分布不均匀,合金持久性能较低;而适量提高C含量,碳化物均匀分布,持久寿命明显提高.Mg元素含量低时,不影响合金的组织,合金的力学性能没有明显改变;而当Mg含量过高时,晶界碳化物粗大,合金冲击韧性aK值较低,拉伸塑性也降低;当加入最佳Mg含量时,碳化物得到充分细化,晶界碳化物呈粒状分布,合金的aK值和拉伸延伸率δ值显著提高.     

考虑小裂纹特性的裂纹扩展数值分析方法及实验验证

为了对工程断裂关键件进行全面的损伤容限分析,需要发展一种能够考虑小裂纹阶段的疲劳裂纹扩展数值分析方法。在Paris公式的基础上基于镍基粉末高温合金小裂纹扩展行为特点,提出了一种小裂纹加长裂纹阶段的裂纹扩展物理力学过程描述,并以此建立了裂纹扩展速率模型。同时考虑到工程应用,将该模型通过FRANC3D软件的用户子程序,与有限元方法结合,构建了一种可分析实际工程结构例如航空发动机涡轮盘上疲劳裂纹扩展的数值分析方法。针对带初始缺陷的FGH96合金标准试棒进行了裂纹扩展数值分析,并与开展的裂纹扩展寿命实验进行了对比。数值计算结果与实验结果吻合较好,表明该方法能够充分考虑小裂纹阶段的裂纹扩展行为特点,适用于分析工程结构疲劳裂纹扩展的全过程。     

镍基单晶高温合金DD6热机械疲劳试验

针对单晶气冷涡轮叶片的服役载荷特征,以镍基单晶高温合金DD6为对象,设计开展了薄壁圆管试样热机械疲劳(TMF)试验。结果表明:DD6变形响应呈现出明显的TMF棘轮效应,且与相位角、机械载荷水平等密切相关;在相同载荷条件下,同相(IP)TMF寿命总是明显短于反相(OP)。引入高温保载时间或增大机械载荷均会引起棘轮应变的明显增加,缩短结构寿命。结合断口和纵向切片分析,识别了不同载荷条件下影响单晶寿命的关键损伤因素,其中IP TMF主导损伤机理为蠕变和疲劳,而OP TMF主导损伤机理为氧化和疲劳。      

镍基单晶高温合金热机械疲劳行为与寿命建模

通过DD6单晶薄壁管试样机械应变控制热机械疲劳(TMF)试验,获取温度交变、相位角以及载荷控制方式对单晶应力应变响应与疲劳寿命的影响规律。结果表明:温度交变会引起明显的应力不对称性并造成额外损伤,导致TMF寿命明显低于最高循环温度的等温疲劳(IF)寿命,并且反相(OP)循环寿命普遍要低于同等载荷的同相(IP)循环,这种寿命变化趋势与应力控制存在明显差异。采用Walker本构模型进行单晶材料在不同TMF循环下的滑移系黏塑性分析,构建单晶TMF损伤与滑移系细观应力应变参量的关联。在此基础上,选取最大Schmid应力、最大滑移剪应变率、滑移剪应变范围、循环Schmid应力比作为损伤参量,建立基于细观参量的TMF寿命模型,其对不同相位、不同载荷控制方式的TMF寿命预测精度均在2倍分散带内。