鎳基單晶高溫合金的界面微結(jié)構(gòu)及定向粗化行為分析.pdf

1、鎳基單晶高溫合金因具有優(yōu)異的蠕變、疲勞、氧化及腐蝕抗力等綜合性能，而被廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動機和工業(yè)燃?xì)廨啓C的葉片材料。它有一個引人注意的特征：在高溫施加應(yīng)力的條件下，γ’沉淀相會發(fā)生定向粗化形成筏狀。這種筏化行為直接影響了合金的蠕變疲勞壽命，而且斷裂面通常沿筏化方向發(fā)生。所以定向粗化行為一直是鎳基單晶高溫合金強化機制的研究重點。
　　 鎳基單晶高溫合金是一種兩相復(fù)合材料，由軟的γ’基體相(Ni相)和均勻鑲嵌在其中的立方狀γ’沉淀相

2、(Ni3Al相)組成。其中γ’沉淀相是重要的強化相，其體積分?jǐn)?shù)約為70％。γ/γ’相界面的微觀結(jié)構(gòu)以及在載荷和溫度條件下的演化決定了其力學(xué)性能。本文采用不同尺度的模型和方法研究了鎳基單晶高溫合金的定向粗化行為，分析了γ/γ’相界面微觀結(jié)構(gòu)及其在載荷和溫度作用下的演化，探討了界面微觀結(jié)構(gòu)演化與γ’相定向粗化以及合金宏觀力學(xué)性能的關(guān)系，主要內(nèi)容和結(jié)論包括：
　　 (1)采用分子動力學(xué)方法模擬了鎳基單晶合金界面位錯網(wǎng)結(jié)構(gòu)，分析了加溫和

3、加載條件的影響。模擬結(jié)果表明：(100)、(110)和(111)三個不同相界面分別存在三種不同形式的位錯網(wǎng)，分別為正方形、矩形和三角形位錯網(wǎng)。它們在拉伸載荷和溫度的作用下慢慢由規(guī)則變得不規(guī)則，直至損傷或消失。不同形式的位錯網(wǎng)有不同形式和不同程度的變形和損傷。位錯網(wǎng)的損傷過程與γ’相定向粗化以及合金的界面力學(xué)性能有密切的關(guān)系。
　　 (2)考慮到鎳基單晶高溫合金服役過程中復(fù)雜的受力形式和失效機制，采用分子動力學(xué)方法模擬了不同相界面

4、在不同加載方式(拉伸、剪切和拉剪組合)作用下位錯網(wǎng)結(jié)構(gòu)的演化。結(jié)果表明：不同加載方式下，不同相界面位錯網(wǎng)的損傷過程和損傷難易不同。(100)相界面形成的正方形位錯網(wǎng)最不容易損傷和消失，它最能有效地強化界面。這種正方形位錯網(wǎng)結(jié)構(gòu)的損傷主要由[100]方向的軸向載荷引起，是鎳基單晶高溫合金在服役過程中主要由于承受[100]軸向離心載荷而引起失效的原因。
　　 (3)基于原子模擬，分析了應(yīng)變率和溫度對界面位錯網(wǎng)結(jié)構(gòu)演化和變形機制的影響

5、及其與γ’相定向粗化行為以及宏觀力學(xué)性能的關(guān)系。結(jié)果表明：不同應(yīng)變率和溫度下，位錯網(wǎng)的損傷程度不同，γ’筏化的難易也不同。只有在相對較低的應(yīng)變率下，γ’筏化才會發(fā)生，而且溫度越高，筏化越容易。此外，不同應(yīng)變率和溫度下，位錯運動和變形機制不同，從而引起界面宏觀力學(xué)性能也不同。界面的屈服強度和最大拉伸強度隨應(yīng)變率的增加而增加，隨溫度的增加而降低；其塑性和延展性能隨應(yīng)變率的增加而減弱，隨溫度的增加而增加。
　　 (4)采用Eshelb

6、y等效夾雜原理和Mori-Tanaka平均場方法，計算了不同形狀γ’顆粒的總勢能，分析了具有不同彈性常數(shù)差的兩類鎳基單晶高溫合金γ’相定向粗化行為及其形狀穩(wěn)定性。計算中考慮了基體塑性應(yīng)變對沉淀形狀穩(wěn)定性的影響，此塑性應(yīng)變由γ/γ’界面位錯網(wǎng)形成而引起。結(jié)果表明：基體塑性變形對γ’沉淀形狀的穩(wěn)定性以及筏化行為具有重要作用。在外應(yīng)力作用下，如果基于簡單的彈性分析對γ’相筏化和形狀穩(wěn)定性進(jìn)行預(yù)測，其預(yù)測結(jié)果不總是與實驗結(jié)論一致；當(dāng)引入基體塑性

7、應(yīng)變時，對兩類合金都能給出與實驗結(jié)論一致的準(zhǔn)確預(yù)測。
　　 (5)建立了一個基于Eshelby等效夾雜理論的三相細(xì)觀力學(xué)模型，該模型中將γ基體相看作兩相夾雜，而將γ’沉淀相看作基體相，通過計算不同基體通道中的Mises應(yīng)力、彈性應(yīng)變能密度和靜水壓力，預(yù)測了不同應(yīng)力軸取向下的γ’相定向粗化行為。結(jié)果表明：當(dāng)外加應(yīng)力沿[001]和[110]方向作用時，將發(fā)生定向粗化，其粗化方向取決于晶格錯配的符號和外加應(yīng)力的性質(zhì)；當(dāng)外加應(yīng)力沿[11

8、1]方向時，不出現(xiàn)定向粗化。
　　 (6)采用有限元方法計算鎳基單晶高溫合金γ基體和γ’沉淀相的Mises應(yīng)力和彈性應(yīng)變能密度分布，并結(jié)合元素擴散性質(zhì)探討了γ’相定向粗化的驅(qū)動力。分析了溫度和外載對定向粗化行為的影響，給出了啟動蠕變位錯的臨界外加載荷。結(jié)果表明：外加應(yīng)力改變了γ和γ’內(nèi)Mises應(yīng)力和彈性應(yīng)變能密度的分布，其最大值出現(xiàn)在界面附近的基體通道處，該處的蠕變位錯和筏化也優(yōu)先啟動。而且隨溫度的增加，Mises應(yīng)力和應(yīng)變能