不同取向单晶镍基合金蠕变期间的组织演化与有限元分析

论文摘要

在高温拉/压蠕变期间,γ’相沿某一特定取向发生明显的定向粗化,形成筏状组织是单晶Ni基合金特有的现象。本文通过对[001]、[011]、[111]不同取向单晶合金进行拉/压蠕变性能测试及组织形貌观察,研究了不同取向单晶合金在高温拉/压蠕变期间的组织演化规律,构造出不同取向单晶合金中筏状γ’相在三维空间的存在方式；并采用有限元方法,计算出不同取向单晶镍基合金中立γ/γ’两相界面的von Mises应力分布变化规律,研究施加拉/压应力对不同取向单晶合金组织演化特征的影响,研究合金中孔洞、裂纹等缺陷对组织演化及蠕变性能的影响规律。得出主要如下结论：铸态合金经高温固溶及空冷后,蝶形丫’相以共格方式自γ基体中析出；经一次时效处理后,组合蝶形γ’相的尖角钝化,凹穴区域平直,基体通道逐渐消失,直至转变成近立方体形态；二次时效期间,γ’相的立方度增加。不同取向单晶镍基合金经充分热处理后,其组织结构均是立方γ’相以共格方式嵌镶在γ基体中,并沿<100>取向规则排列。[001]取向单晶镍基合金在拉/压应力蠕变初期,立方γ’相逐渐沿垂直/平行于应力轴方向形成N/P-型筏状结构,筏状Y’相内无位错,仅发生弹性应变,而γ基体发生塑性变形,因此,可采用弹-塑性有限元方法分析单晶合金中Y/Y’两相的形态演化规律。[001]、[111]取向合金在拉应力蠕变期间、[011]取向单晶合金在压应力蠕变期间,立方γ’相沿特定取向形成类似筛网层片状筏形组织；而[001]取向合金在压应力蠕变期间、[011]取向合金在拉应力蠕变期间,立方γ’相沿特定取向形成类纤维状筏形组织,其丫基体相连续填充在筏形γ’相之间。有限元分析表明,高温拉/压蠕变期间,在不同取向单晶合金中各晶面主应力分量的作用下,立方γ’相的不同晶面可发生不同程度的晶格收缩及晶格扩张应变,其晶格收缩的挤压应变可排斥较大半径的Al、Ti原子,扩张的晶格应变可诱捕较大半径的Al、Ti原子,并促使其沿扩张品格的法线方向定向生长,是使γ’相沿特定取向转变成筛网层状或纤维状筏形结构的主要原因。在高温施加拉／压应力作用下,立方γ’相不同晶面发生不同的应变能密度变化,其中,γ’相沿应变能变化较大的晶面定向生长。合金中γ’相形成类筛网或类纤维状筏形结构具有不同的界面面积变化,而原子间势能、界面能及晶格错配应力的变化是促使合金中元素发生定向扩散和丫’相定向生长的驱动力,且形成不同结构的筏状组织具有不同的驱动力。蠕变期间在元素定向扩散及γ’相定向生长的扩散场中,在近γ’相界面的γ相区域由于原子偏聚发生有序化转变,形成Ll2结构的有序相是自由能降低的自发过程,其中,较大半径的Al、Ti原子迁移至｛100｝晶面,形成异类原子结合键及稳定的原子堆垛方式,是促进γ’相沿<100>方向形成类筛网层片状或类纤维状筏形结构的主要原因。孔洞、裂纹和夹杂等缺陷可较大幅度降低单晶合金的蠕变寿命,随蠕变进行,圆形孔洞沿应力轴方向伸长成椭圆状,单一孔洞产生的应变量较小,蠕变期间有缺陷合金的应变由多个孔洞应变及裂纹扩展组成。在高温施加应力的蠕变期间,在近孔洞区域沿应力轴方向形成对称的蝶形应力分布,沿应力轴的45°角方向有较高的应力值,是致使合金中筏状γ’相沿45°角方向排列的主要原因。蠕变期间,在近有/无裂纹孔洞区域有不同的应力分布,与无裂纹孔洞相比,在有裂纹孔洞两侧的极点区域具有更大的应力值,可促使裂纹易于沿垂直于应力轴方向扩展,是使合金具有较低蠕变寿命的主要原因。在孔洞两侧的极点处有最大的应力值,随蠕变进行,最大应力值增加,可促使在极点区域沿垂直于应力轴方向发生裂纹的萌生与扩展,直至发生断裂是合金的蠕变断裂机制。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 单晶镍基合金及蠕变期间的组织演化
• 1.1.1 单晶镍基合金概述
• 1.1.2 单晶镍基合金蠕变期间γ'相的定向粗化
• 1.1.3 拉应力伸蠕变期间的组织演化
• 1.1.4 γ'相定向粗化的机理
• 1.2 γ'相定向粗化的影响因素
• 1.2.1 施加应力的影响
• 1.2.2 温度的影响
• 1.2.3 晶格错配度对组织演化的影响
• 1.2.4 元素扩散速率
• 1.2.5 晶体取向对组织演化的影响
• 1.2.6 晶体取向的各向异性
• 1.3 有限元分析的本构模型
• 1.3.1 位错滑移理论本构模型
• 1.3.2 唯象连续本构模型
• 1.4 组织演化期间的有限元分析
• 1.4.1 二维应力—应变有限元分析
• 1.4.2 三维应力—应变有限元分析
• 1.5 缺陷对组织演化及寿命的影响
• 1.5.1 缺陷对组织演化的影响
• 1.5.2 组织缺陷对蠕变寿命的影响
• 1.6 本文研究的目的、意义和内容
• 第二章 有限元分析方法及其应用
• 2.1 引言
• 2.2 唯象连续本构方程
• 2.2.1 各向异性晶体的本构方程
• 2.2.2 von Mises屈服准则
• 2.2.3 蠕变方程与弹塑性本构模型
• 2.3 有限元的分析方法及坐标变换
• 2.3.1 有限元分析方法
• 2.3.2 边界条件
• 2.3.3 坐标变换
• 2.3.4 设定材料参数
• 2.4 热处理期间的组织演化与有限元分析
• 2.4.1 实验方法
• 2.4.2 热处理期间的组织演化
• 2.4.3 热处理期间γ'相演化的有限元分析
• 2.4.4 讨论
• 2.5 本章小节
• 第三章 [001]取向单晶合金拉/压蠕变期间的组织演化与有限元分析
• 3.1 引言
• 3.2 实验方法
• 3.3 拉应力蠕变期间的组织演化与有限元分析
• 3.3.1 拉应力蠕变期间γ'相的组织演化
• 3.3.2 施加拉应力对立方γ/γ'两相应力分布的影响
• 3.3.3 拉应力蠕变期间不同区域的主应力分量
• 3.3.4 施加应力对应变能密度的影响
• 3.4 压应力蠕变期间的组织演化与有限元分析
• 3.4.1 压应力蠕变期间的组织演化
• 3.4.2 施加压应力对立方γ/γ'两相应力分布的影响
• 3.4.3 不同区域主应力分量的变化规律
• 3.4.4 施加压应力对应变能的影响
• 3.5 本章小结
• 第四章 [011]取向单晶合金拉/压蠕变期间的组织演化与有限元分析
• 4.1 引言
• 4.2 实验材料与方法
• 4.3 蠕变期间的组织演化与有限元分析
• 4.3.1 晶体取向对蠕变特征的影响
• 4.3.2 [011]取向单晶合金的组织结构
• 4.3.3 拉应力蠕变期间的组织演化
• 4.3.4 组织演化的有限元分析
• 4.3.5 不同晶面的主应力分量
• 4.3.6 不同区域的应变能变化
• 4.4 压应力蠕变期间的组织演化与有限元分析
• 4.4.1 压缩蠕变期间组织演化
• 4.4.2 施加压应力对立方γ/γ'两相应力分布的影响
• 4.4.3 不同晶面的主应力分量
• 4.4.4 不同区域的应变能变化
• 4.5 本章小结
• 第五章 [111]取向单晶合金拉应力蠕变期间的组织演化与有限元分析
• 5.1 引言
• 5.2 实验方法
• 5.3 实验结果与分析
• 5.3.1 热处理后的组织形貌
• 5.3.2 蠕变期间的组织演化
• 5.4 组织演化的有限元分析
• 5.4.1 模型与数据
• 5.4.2 施加应力对立方γ/γ'两相应力分布的影响
• 5.4.3 不同晶面的主应力分量
• 5.4.4 应变能密度分布
• 5.5 本章小结
• 第六章 溶质元素的定向迁移及影响因素
• 6.1 引言
• 6.2 施加应力方向对γ'相筏形化速率的影响
• 6.2.1 实验方法
• 6.2.2 γ'相的筏形化速率
• 6.3 溶质原子的定向迁移与组织演化规律
• 6.3.1 蠕变期间溶质原子的定向迁移
• 6.3.2 γ/γ'两相的界面迁移
• 6.3.3 不同取向单晶合金的组织演化规律
• 6.3.4 组织演化前后的界面能变化
• 6.3.5 元素定向扩散及γ'相定向生长的驱动力
• 6.5 本章小结
• 第七章 组织缺陷对蠕变行为的影响
• 7.1 引言
• 7.2 实验材料与方法
• 7.3 实验结果与分析
• 7.3.1 组织缺陷对蠕变特征的影响
• 7.3.2 有/无裂纹的孔洞对γ'相形态演化的影响
• 7.3.3 蠕变期间裂纹的萌生与扩展
• 7.3.4 夹杂物形态对组织演化的影响
• 7.4 近缺陷区域的应力分布及对组织演化的影响
• 7.4.1 近孔洞区域的应力分布
• 7.4.2 近裂纹孔洞区域的应力分布
• 7.4.3 近不同形态夹杂物区域的应力分布
• 7.4.4 近裂纹区域的应力分布
• 7.4.5 蠕变期间孔洞的应变
• 7.5 本章小结
• 第八章 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢