[111]取向镍基单晶合金在蠕变期间组织演化的有限元分析

采用弹塑性应力-应变有限元方法计算了[111]取向镍基单晶合金中γ/γ′两相共格界面的von Mises应力及应变能密度分布,研究了施加拉应力对γ/γ′两相界面von Mises应力分布及γ′相定向粗化规律的影响.结果表明:[111]取向镍基单晶合金经热处理后,组织结构是立方γ′相以共格方式嵌镶在γ基体相中,沿(100)方向规则排列.当沿[111]取向施加拉应力蠕变期间,与近(010)γ′晶面的基体通道相比,近(001)γ′和(100)γ′晶面的基体通道有较大的von Mises应力,在主应力分量的作用下,(100)和(001)晶面分别沿[001],[010]和[010],[100]方向发生较大的晶格扩张应变,可诱捕较大半径的Al和Ti原子,这是促使γ′相在(010)面沿[001]和[100]方向定向生长成为层片结构的筛网状筏形组织的主要原因.     

晶体取向对镍基单晶合金蠕变行为的影响

通过蠕变曲线测定及组织形貌观察,研究[001]、[011]取向镍基单晶合金在蠕变期间的组织演化及变形特征。结果表明:经完全热处理后,[001]和[011]取向合金中立方γ′相均以共格方式镶嵌在γ基体相中,并沿〈100〉取向规则排列。蠕变期间,[001]取向合金中γ′相沿垂直于应力轴方向形成N-型筏状组织,而[011]取向合金中γ′相沿[001]取向形成纤维状筏形组织,且在(100)晶面的筏状γ′相与施加应力轴方向呈45°角排列,其中,立方γ′相不同晶面中扩张晶格的法线方向是筏状γ′相的生长方向。在试验温度和应力范围内,与[011]取向合金相比,[001]取向合金具有较好的蠕变抗力。在高温蠕变后期,两取向合金中的筏状γ′相均发生粗化和扭折,其中,[001]取向合金在蠕变后期的变形机制是位错剪切γ′相,而[011]取向合金的变形特征主要是形变位错在基体通道中滑移。     

[011]取向镍基单晶合金在压应力蠕变期间的组织演化与有限元分析

采用弹/塑性应力-应变有限元方法计算了[011]取向单晶镍基合金中γ /γ’ 两相共格界面的von Mises应力及应变能密度分布特征,研究了施加压应力对γ /γ’ 两相界面von Mises应力分布及γ’相定向粗化规律的影响。结果表明:[011]取向单晶镍基合金经热处理后,组织结构是立方γ’相以共格方式嵌镶在γ基体相中,并沿<100>γ方向规则排列。当沿[011]方向施加压应力时,(100)晶面沿[001]γ和[010]γ方向发生晶格收缩,其晶格收缩的挤压作用可排斥半径较大的Al、Ti原子,而在(010)和(001)晶面则分别沿[100]取向发生晶格扩张应变,可诱捕半径较大的Al、Ti原子,是促使γ’相在(100)晶面交错生长成网状结构,并沿[010]和[001]取向扩散连接,生长成为相互垂直的层片网状筏形组织的主要原因。     

[011]取向镍基单晶合金在拉伸蠕变期间的组织演化与有限元分析

采用弹性应力-应变有限元方法计算了[011]取向单晶镍基合金中γ/γ'两相共格界面的von Mises应力及应变能密度的分布特征,研究了施加拉应力对γ/γ'两相界面von Mises应力分布及γ'相定向粗化规律的影响.结果表明:[011]取向单晶镍基合金经热处理后,组织结构是立方γ'相以共格方式嵌镶在γ基体相中,并沿〈...     

[011]取向镍基单晶合金蠕变特征

研究了一种[011]取向镍基单晶合金的拉伸蠕变特征及其变形期问的微观组织结构.结果表明:在750℃/680 MPa条件下,合金的初期蠕变和稳态蠕变速率相对较高,蠕变寿命较短.TEM观察显示,蠕变期间的变形特征是1/20<110>位错在基体中运动,发生反应形成1/3<112>超Shockley不全位错切入γ'相后产生层错;在870℃/500 MPa条件下,蠕变中期出现不均匀滑移带并有大量超不全位错剪切γ'相,使合金具有较高的应变速率;在980℃/200 MPa条件下,合金具有较长的蠕变寿命和较低的稳态蠕变速率.不同Burgers矢量的位错相遇发生反应形成界面位错网,位错网可以阻止位错切入γ'相,γ'相沿[010]方向扩散生长,逐渐转变成筏形组织.蠕变后期位错切入,γ'相,是合金变形的主要方式.     

一种[011]取向镍基单晶合金拉伸蠕变中的组织演化

在1040℃,137MPa下对[011]取向镍基单晶合金进行蠕变曲线测定,采用SEM观察热处理及蠕变后样品不同晶面的组织形貌,研究了[011]取向镍基单晶合金在蠕变期间的组织演化特征,并分析了组织演化的规律及影响因素。结果表明:取向差为4°的[011]取向镍基单晶合金经完全热处理后,组织是立方γ′相以共格方式嵌镶在γ基体相中,并沿<100>取向规则排列;在拉伸蠕变期间,合金中γ′相转变成与[001]取向平行的纤维状筏形组织。由于施加拉伸载荷,使立方γ′相中的(100)晶面及γ基体相承受挤压力,可排斥较大半径的Al、Ta原子,而在(001)晶面产生较大的晶格扩张应变,可诱捕较大半径的Al、Ta原子,因而促使γ′相沿[001]取向定向生长成为纤维状筏形组织。在外加应力作用下,不同晶面γ′/γ两相界面的应变能密度变化是促使发生元素扩散和γ′相定向粗化的驱动力。     

一种无铼二代镍基单晶高温合金蠕变机制研究

通过对一种镍基单晶合金中温高应力条件下的蠕变曲线的测定和微观组织及断裂后合金中位错组态的衍衬分析,研究中温高应力条件下单晶合金的组织演化及变形特征。结果表明:在中温高应力条件下,该合金的蠕变激活能Q为(462±20)kJ/mol,表观应力指数na=4.34。表明在试验温度和应力范围内,合金具有较好的蠕变抗力。位错组态衍衬分析表明,蠕变期间切入相内的<110>超位错既可在{100}立方体滑移系中运动,也可在{111}八面体滑移系中运动;位错在运动中相遇发生位错反应,形成的超位错可交滑移至{100}立方体滑移面。位于2个不同{100}六面体滑移面的位错在运动中相遇,可发生位错反应,生成的位错可在{111}八面体滑移系中运动。     

[011]取向镍基单晶合金高温蠕变期间γ′相定向粗化行为研究

研究了980 ℃, 200 MPa拉伸蠕变期间[011]取向镍基单晶高温合金中γ'相的演化方式.采用有限元方法计算了单晶合金在有/无外加载荷时Von Mises应力及弹性应变能密度在γ和γ'两相中的分布.结果表明:沿[011]取向施加拉伸应力时,与应力轴呈45°角基体通道(roof)的Von Mises应力远高于与应力轴平行的基体通道(gable)中的Von Mises应力,两通道中应变能密度的差异驱动γ'相形成元素从变形较大的通道向变形较小的通道扩散,而γ相形成元素反向扩散,导致γ'相沿[010]和[100]取向扩散生长,形成垂直于[001]方向且与应力轴倾斜成45°角的层片状筏形组织.     

镍基单晶合金高温蠕变变形与损伤行为

通过蠕变性能测试和组织观察,研究了镍基单晶合金在高温蠕变期间的变形和损伤行为.结果 表明,该合金在1040℃/137 MPa条件下的蠕变寿命为556 h,表现出优异的蠕变抗力.合金在稳态期间的蠕变特性是位错在γ基体中滑移和攀移越过筏状γ'相.在蠕变后期,合金的变形特征是位错剪切进入筏状γ'相,剪切γ'相的位错可以交滑移...     

Re对单晶镍基合金蠕变行为的影响

通过对有Re和无Re单晶镍基合金进行蠕变性能测定,结合组织形貌观察,研究了Re对单晶镍基合金蠕变行为的影响.结果表明,Re可有效提高合金的高温蠕变抗力,与无Re单晶合金相比较,加入2%的Re后,可使合金在高温低应力条件下的蠕变寿命有较大幅度的提高,计算出2%的Re合金在稳态蠕变期间的蠕变激活能Q=478.6 kJ/mol,应力指数n=5.1.合金在蠕变初期的变形特征是(1/2)<110>位错在基体通道中滑移,运动位错相遇发生位错反应,在γ、γ'两相界面处形成位错网,可提高合金的蠕变抗力.蠕变后期,合金的变形机制是<110>超位错切入筏状γ'相内.     

一种含4.2%Re单晶镍基合金在蠕变期间的组织演化与变形特征(英文)

通过组织形貌观察及蠕变曲线测定,研究了一种含Re镍基单晶合金的高温蠕变行为。结果表明:含4.2%Re单晶合金在1060-1100℃温度区间具有较好的承温能力,但表现出较强的施加应力敏感性。经高温蠕变断裂后,在试样不同区域γ′相具有不同的组织形貌,在远离断口区域γ′相形成的筏状组织与施加应力轴方向垂直,而在近断口区域,筏状γ′相的粗化及扭曲程度的增大为该区域发生较大塑性变形所致。在蠕变后期,合金的变形机制是迹线方向为[011]和[011]的滑移位错切入筏状γ′相,主、次滑移系交替开动,使筏状γ′相发生扭折形成不规则的扭曲形态,直至发生断裂是合金的蠕变断裂机制。     

螺旋选晶器对单晶高温合金晶粒取向的影响(英文)

对于航天推进和发电燃气轮机,为了实现更高的效率和性能并同时降低成本和排放,需要发展先进的镍基单晶高温合金。随着合金的发展,合金的铸造技术已经从定向凝固(DS)发展到单晶(SX)。单晶取向与择优取向的偏差已经成为单晶高温合金最重要的铸造缺陷之一。在自行设计的高温度梯度定向凝固装置中,采用改进的Bridgeman法,用螺旋选晶器拉制出DZ417G合金的单晶。使用XRD和EBSD对其取向进行分析研究。结果表明:较小角度的螺旋选晶器可以有效地减少单晶取向与择优取向的偏差。     

镍基单晶合金在压缩蠕变期间的组织演化与有限元分析

通过[001]取向镍基单晶合金压缩蠕变性能测试及组织形貌观察,确定出合金经压应力蠕变后的组织结构是γ'相沿平行于应力轴方向形成P-型筏状组织。采用三维应力应变有限元方法计算出立方γ/γ'两相共格界面的Von Mises应力分布,研究了施加应力对应力分布及γ'相定向粗化规律的影响。结果表明,施加压应力可改变立方γ/γ'两相的应力分布,γ'相的定向粗化取向与γ基体通道的Von Mises应力分布密切相关,其中,在施加压应力作用下,立方γ'相的(001)晶面产生较大的Von Mises应力及应变能密度变化是使其发生组织演化的主要原因。并进一步提出压应力蠕变期间,合金中发生元素定向扩散和γ'相定向生长的驱动力。     

镍基单晶高温合金的小角度偏离[001]取向对蠕变性能的影响

小角度偏离[001]取向的镍基单晶高温合金的蠕变性能受温度、γ?尺寸的大小和应力条件的影响。本文综述了镍基单晶高温合金的[001]取向小角度偏离对蠕变性能的影响。不同程度的偏离引起的不同蠕变性能变化,源于不同的蠕变变形机制。不同的蠕变变形机制对应着引起蠕变率发生的不同临界应力。在中温(760℃-850℃),合金的蠕变性能对[001]取向的角度偏离很敏感,即使角度有一点变化也会引起蠕变性能的很大的差异,但是在温度高于850℃以上小角度的取向偏离对蠕变性能影响不大。γ?尺寸的大小对小角度偏离的合金的蠕变性能的影响受温度的制约。在中温,γ?尺寸的大小变化影响着不同的小角度偏离是否引起蠕变性能的变化,但是在高温γ? 相快速伐化,变形机制和γ?尺寸变化无关。     

元素Re对镍基单晶合金中温蠕变行为的影响

通过对有/无元素Re合金进行蠕变曲线测定及组织形貌观察,研究了元素Re对镍基单晶合金中温蠕变行为的影响。结果表明:与无Re合金相比,4.5%Re合金在中温/高应力条件下具有良好的蠕变抗力。蠕变期间无Re合金中的#’相转变成串状,而4.5Re合金中的#’相仍保持立方体形貌,有/无元素Re合金在中温蠕变期间的变形机制均为<110>超位错剪切#’相,切入#’相的超位错可在{111}面滑移,或在{111}面分解形成{112}超肖克莱不全位错+(SISF)的位错组态,抑制其交滑移;其中,4.5%Re合金中切入#’相的<110>超位错可由{111}面交滑移至(100)面,形成K-W锁,是使合金具有良好蠕变抗力的重要原因之一。     

镍基单晶高温合金在不同条件下的蠕变性能和组织演化(英文)

研究[001]取向的镍基单晶高温合金在不同测试条件下的蠕变性能,采用扫描电镜和透射电镜研究合金蠕变断裂后的γ′相、TCP相和位错组织演化特征。结果表明:合金具有良好的蠕变性能,蠕变曲线显示出两种不同的蠕变变形特征。在(760°C,600 MPa)、(850°C,550 MPa)条件下,蠕变第一阶段较长;在(980°C,250 MPa)、(1070°C,140 MPa)和(1100°C,120 MPa)条件下,蠕变第一阶段很短。蠕变断裂后,在(760°C,600 MPa)条件下γ′相形态变化不大;在(850°C,550 MPa)条件下γ′相已经合并长大;在(980°C,250 MPa)条件下基体γ被γ′相包围;在(1070°C,140 MPa)条件下基体γ不再连续;在(1100°C,120 MPa)条件下基体γ厚度进一步增加。在(760°C,600MPa)、(850°C,550 MPa)和(980°C,250 MPa)条件下合金无TCP相析出,而在(1070°C,140 MPa)和(1100°C,120MPa)条件下有针状TCP相析出。在低温高应力下,变形特征为位错包括层错的剪切机制;在高温低应力下为位错绕过机制,并在γ/γ′相界面形成位错网。     

一种4.5%Re单晶镍基合金的中温蠕变行为

通过对合金进行不同温度的固溶处理、蠕变曲线测定及组织形貌观察,研究了热处理工艺对4.5%Re镍基单晶合金中温蠕变行为的影响。结果表明:提高合金的固溶温度,可降低合金中元素的偏析程度,提高合金的蠕变性能。完全热处理后单晶镍基合金的组织结构由立方γ’相以共格方式嵌镶在γ基体所组成,在760℃/800 MPa条件下的蠕变期间,合金中γ’相不形成筏状组织,但在近断口区域,立方γ’相的扭曲程度增加。在施加的温度和应力条件下,合金具有良好的蠕变抗力和较长的蠕变寿命。合金在蠕变期间的变形特征是位错在基体中运动和剪切γ’相,其中,切入γ’相的<110>超位错可由{111}面交滑移到{100}面,形成K-W锁,而切过γ’相的<110>超位错在{111}面可发生分解,形成(1/3)<112>超肖可莱不全位错+层错的位错组态,阻碍位错运动和抑制位错的交滑移,是使合金具有良好蠕变抗力的主要原因。