镍基单晶高温合金
镍基单晶高温合金是一种重要的高温结构材料，具有优异的高温强度、抗氧化性和耐蠕变性，被广泛应用于航空航天、能源和化工等领域。
我们来了解一下什么是单晶材料。与普通多晶材料不同，单晶材料是由统一的晶格结构组成，晶体中没有晶界和晶界的错位。这种特殊的结构使得单晶材料具有更好的力学性能和高温特性。
镍基单晶高温合金是以镍为基础元素，加入适量的铬、钼、铝等合金元素，并通过精细的熔炼和铸造工艺制备而成。这种合金具有优异的高温力学性能和抗氧化性能，能够在高温、高压和复杂的工作环境下保持稳定的性能。
镍基单晶高温合金的优点主要包括以下几个方面：
1. 高温强度：镍基单晶高温合金具有出色的高温强度，能够在高温下承受较大的载荷。这使得它成为航空发动机中关键部件的理想材料，如涡轮叶片、燃烧室等。
2. 抗氧化性能：镍基单晶高温合金具有良好的抗氧化性能，能够在高温下形成致密的氧化层，起到防止高温氧化和腐蚀的作用。这使得它在高温气体中的应用具有显著的优势。
3. 耐蠕变性：镍基单晶高温合金具有优异的耐蠕变性能，能够在高
温下长时间保持稳定的尺寸和形状。这种特性使得它在高温结构中的应用非常广泛，如燃气轮机、石化设备等。
4. 热疲劳性能：镍基单晶高温合金具有较好的热疲劳性能，能够在高温循环加载下保持较高的强度和韧性。这使得它在高温工况下的可靠性得到了保证，延长了材料的使用寿命。
除了以上的优点，镍基单晶高温合金还具有较好的可焊性、可加工性和可修复性，使得其在制造和维修过程中更加方便和经济。
然而，镍基单晶高温合金也存在一些挑战和问题。首先，制备镍基单晶高温合金的工艺较为复杂，需要严格的熔炼和铸造条件，以保证单晶结构的形成。其次，镍基单晶高温合金的成本较高，制造和加工难度较大，限制了其在一些领域的广泛应用。
为了克服这些问题，研究人员正在不断努力改进镍基单晶高温合金的制备工艺和性能。通过优化合金配方、改进熔炼和铸造工艺，以及引入新的合金元素和复合材料技术，可以进一步提高镍基单晶高温合金的性能和降低制造成本。
镍基单晶高温合金作为一种重要的高温结构材料，具有优异的高温强度、抗氧化性能和耐蠕变性，被广泛应用于航空航天、能源和化工等领域。随着制备技术的不断进步和材料性能的不断优化，镍基单晶高温合金将在未来发展中发挥更加重要的作用。
镍基高温合金 镍基高温合金是以镍为基体(含量一般大于50%) 在650～1000℃范围内具有较高的强度和良好的抗氧化、抗燃气腐蚀能力的高温合金。 发展过程 镍基高温合金(以下简称镍基合金)是30年代后期开始研制的。英国于1941年首先生产出镍基合金Nimonic 75(Ni-20Cr-0.4Ti)；为了提高蠕变强度又添加铝，研制出Nimonic 80(Ni-20Cr-2.5Ti-1.3Al)。美国于40年代中期，苏联于40年代后期，中国于50年代中期也研制出镍基合金。镍基合金的发展包括两个方面：合金成分的改进和生产工艺的革新。50年代初，真空熔炼技术的发展，为炼制含高铝和钛的镍基合金创造了条件。初期的镍基合金大都是变形合金。50年代后期，由于涡轮叶片工作温度的提高，要求合金有更高的高温强度，但是合金的强度高了，就难以变形，甚至不能变形，于是采用熔模精密铸造工艺，发展出一系列具有良好高温强度的铸造合金。60年代中期发展出性能更好的定向结晶和单晶高温合金以及粉末冶金高温合金。为了满足舰船和工业燃气轮机的需要，60年代以来还发展出一批抗热腐蚀性能较好、组织稳定的高铬镍基合金。在从40年代初到70年代末大约40年的时间内，镍基合金的工作温度从700℃提高到1100℃，平均每年提高10℃左右。镍基高温合金的发展趋势见图1。
镍基高温合金的发展趋势 成分和性能 镍基合金是高温合金中应用最广、高温强度最高的一类合金。其主要原因，一是镍基合金中可以溶解较多合金元素，且能保持较好的组织稳定性；二是可以形成共格有序的A3B 型金属间化合物γ'[Ni3(Al，Ti)]相作为强化相，使合金得到有效的强化，获得比铁基高温合金和钴基高温合金更高的高温强度；三是含铬的镍基合金具有比铁基高温合金更好的抗氧化和抗燃气腐蚀能力。镍基合金含有十多种元素，其中Cr主要起抗氧化和抗腐蚀作用，其他元素主要起强化作用。根据它们的强化作用方式可分为：固溶强化元素，如钨、钼、钴、铬和钒等；沉淀强化元素，如铝、钛、铌和钽；晶界强化元素，如硼、锆、镁和稀土元素等。 镍基高温合金按强化方式有固溶强化型合金和沉淀强化型合金。 ·固溶强化型合金 具有一定的高温强度，良好的抗氧化，抗热腐蚀，抗冷、热疲劳性能，并有良好的塑性和焊接性等，可用于制造工作温度较高、承受应力不大(每平方毫米几公斤力，见表1)的部件，如燃气轮机的燃烧室。 ·沉淀强化型合金 通常综合采用固溶强化、沉淀强化和晶界强化三种强化方式，因而具有良好的高温蠕变强度、抗疲劳性能、抗氧化和抗热腐蚀性能，可用于制作高温下承受应力较高(每平方毫米十
DD6单晶高温合金振动疲劳性能及断裂机理 刘丽玉;高翔宇;杨宪锋;何玉怀 【摘要】Room Temperature vibration fatigue S-N curves of single crystal superalloy DD6 with [001] orientation was investigated and room temperature vibration fatigue limit was obtained .The fracture mechanism was studied by OM ,SEM and EBSD .The results show that based on S-N method ,vibra-tion fatigue limit of DD6 single crystal superalloy with [001] orientation is estimated to be around 337 .5M Pa .Vibration fatigue fracture presents single or several {111} octahedral slip planes .SEM observations show that fracture has two regions :fatigue source region and the fatigue crack propaga-tion regions ,the fatigue cracks initiate at the surface or internal defect of the cross-section with the maximum stress ,and exhibits a single source feature ,fatigue crack propagation region exhibits quasi-cleavage fracture ,no typical fatigue striation feature .Crystal plane slip along {111} is the main de-formation mechanism of RT vibration fatigue fracture of single crystal superalloy DD 6 ,quasi-cleavage propagation plane in fracture and quasi-cleavage patterns in microstructure are the main features of RT vibration fatigue fracture of single crystal superalloy DD 6.%研究[001]取向的DD6单晶高温合金的室温振 动疲劳S-N曲线,并获得了其室温振动疲劳极限.利用体视显微镜、扫描电子显微镜、背散射衍射等手段对DD6单晶高温合金振动疲劳断裂机制进行分析.结果表明:采 用S-N法估算得到的[001]取向的DD6单晶高温合金室温振动疲劳极限约为337.5M Pa.振动疲劳裂纹断口呈现单个或多个沿{111}晶体学扩展平面组成的形貌
钎焊温度对CMSX-4单晶高温合金接头组织与性能的影响侯星宇;孙元 【摘要】采用一种镍基合金钎料钎焊CMSX-4单晶高温合金, 利用扫描电镜、电子探针等分析手段研究接头的微观组织与相组成, 并利用高温持久试验机测试接头的高温持久性能, 讨论不同钎焊工艺条件下, 接头的组织与性能变化规律及接头的断裂机制.研究发现, 随着钎焊温度的提高, 焊缝中低熔点化合物相减少, 小尺寸凝固缺陷消失, 白色硼化物比例先升高后降低, γ'沉淀相增多, 接头的高温组织稳定性增加.当钎焊温度不低于1 290℃时, CMSX-4单晶高温合金接头在980℃/100 Mpa 条件下的持久寿命可达到400 h.观察接头的断口形貌发现, 断裂均发生在焊缝处, 断裂模式为以脆性断裂为主的混合断裂.%The single crystal superalloy CMSX-4 was brazed with a Ni-based filler alloy, the microstructure and the phase composition were studied by scanning electron microscopy ( SEM), electron probe microanalysis ( EPMA) . The stress rupture property of joint was tested by high temperature stress rupture property testing machine. The result shows that the fracture mechanism and stress rupture property at high temperature of joint transformed with the different brazing temperature. With the increase of brazing temperature, the low melting point eutectic phase and the solidification defect with small size disappears, the proportion of white boron compounds increases firstly and then decreases. Besides, the amount of the precipitated phase and the high temperature structure stability of joint increase. When the brazing temperature is not lower than1 290 ℃, the rupture life of CMSX-4 superalloy under the condition of 980 ℃/100 MPa reac hes up to 400 h.
高温合金材料发展现状与趋势高温合金是指具有优异的高温强度、高温蠕变和高温抗氧化性 能的材料。这些材料被广泛应用于航空航天、火箭、汽车、能源、化工和核工业等领域。随着这些领域对高温材料需求的不断增加，高温合金材料也因此得到了广泛的关注和研发。本文旨在对高温 合金材料的发展现状和未来趋势进行探讨。 一、高温合金材料的分类 高温合金材料主要可分为镍基高温合金、铬基高温合金和钛基 高温合金。其中镍基高温合金是应用最为广泛的一类高温合金。 镍基高温合金具有强的抗氧化性、良好的高温蠕变和高温疲劳性能、优异的耐腐蚀性、高的热强度和热稳定性等优点，被广泛应 用于各种高温领域。 二、高温合金材料的发展现状 高温合金材料的发展历程可以追溯到20世纪50年代。在此以前，主要采用的是铁基合金，但铁基合金存在工作温度范围狭窄、低温下脆性易剥落等缺点。20世纪50年代中期，美国医生·布拉 斯特博士首次成功研制出镍基合金，开创了高温合金材料的新时代。70年代至80年代之间，欧美日等国的高温合金技术突飞猛进，并得到广泛推广应用。
目前，高温合金材料已经具备了广泛的应用场景和应用前景，尤其是在航空航天、火箭、船舶、发电等领域。随着材料科学技术的逐步提高，未来高温合金的研究和应用将更加广泛，发展也将日益壮大。 三、高温合金材料的未来趋势 1. 单晶高温合金材料将得到广泛应用 单晶高温合金材料是指各向同性粉末冶金高温合金，具有耐蠕变和循环寿命长、耐热劣化和抗氧化性能好的特点。单晶高温合金材料主要应用于高温部件上，例如发动机涡轮叶片、转子盘、燃烧室内强制部件等方面。 2. 复合材料和纳米材料将成为研究热点 复合材料和纳米材料将成为高温合金材料的研究热点。复合材料具有优良的力学性能和耐热性能，可以制备成薄壁结构材料和非对称结构材料等多种形状的零部件。纳米材料具有优异的力学性能和微观结构特性，可以强化高温合金材料的高温强度和热稳定性能。 3. 新型高温合金材料将不断发展 新型高温合金材料将不断涌现，例如具有先进内部组织结构的超高温合金材料和低密度强韧高温合金材料等。这些新型材料将
镍基单晶高温合金 镍基单晶高温合金是一种重要的高温结构材料，具有优异的高温强度、抗氧化性和耐蠕变性，被广泛应用于航空航天、能源和化工等领域。 我们来了解一下什么是单晶材料。与普通多晶材料不同，单晶材料是由统一的晶格结构组成，晶体中没有晶界和晶界的错位。这种特殊的结构使得单晶材料具有更好的力学性能和高温特性。 镍基单晶高温合金是以镍为基础元素，加入适量的铬、钼、铝等合金元素，并通过精细的熔炼和铸造工艺制备而成。这种合金具有优异的高温力学性能和抗氧化性能，能够在高温、高压和复杂的工作环境下保持稳定的性能。 镍基单晶高温合金的优点主要包括以下几个方面： 1. 高温强度：镍基单晶高温合金具有出色的高温强度，能够在高温下承受较大的载荷。这使得它成为航空发动机中关键部件的理想材料，如涡轮叶片、燃烧室等。 2. 抗氧化性能：镍基单晶高温合金具有良好的抗氧化性能，能够在高温下形成致密的氧化层，起到防止高温氧化和腐蚀的作用。这使得它在高温气体中的应用具有显著的优势。 3. 耐蠕变性：镍基单晶高温合金具有优异的耐蠕变性能，能够在高
温下长时间保持稳定的尺寸和形状。这种特性使得它在高温结构中的应用非常广泛，如燃气轮机、石化设备等。 4. 热疲劳性能：镍基单晶高温合金具有较好的热疲劳性能，能够在高温循环加载下保持较高的强度和韧性。这使得它在高温工况下的可靠性得到了保证，延长了材料的使用寿命。 除了以上的优点，镍基单晶高温合金还具有较好的可焊性、可加工性和可修复性，使得其在制造和维修过程中更加方便和经济。 然而，镍基单晶高温合金也存在一些挑战和问题。首先，制备镍基单晶高温合金的工艺较为复杂，需要严格的熔炼和铸造条件，以保证单晶结构的形成。其次，镍基单晶高温合金的成本较高，制造和加工难度较大，限制了其在一些领域的广泛应用。 为了克服这些问题，研究人员正在不断努力改进镍基单晶高温合金的制备工艺和性能。通过优化合金配方、改进熔炼和铸造工艺，以及引入新的合金元素和复合材料技术，可以进一步提高镍基单晶高温合金的性能和降低制造成本。 镍基单晶高温合金作为一种重要的高温结构材料，具有优异的高温强度、抗氧化性能和耐蠕变性，被广泛应用于航空航天、能源和化工等领域。随着制备技术的不断进步和材料性能的不断优化，镍基单晶高温合金将在未来发展中发挥更加重要的作用。
单晶高温合金概述 单晶高温合金是含有Ni、Cr、Co、W、Al等多种合金元素并采用定向凝固和选晶/籽晶技术制造的按照预定方向生长具有单一柱状晶组织的铸造高温合金，合金的综合性能优异。 单晶高温合金在航空发动机上仅用于制造单晶叶片，其中的单晶涡轮转子叶片是航空发动机热端关键部件，工作在高温度、高压力、燃气腐蚀等极为苛刻的条件下，技术难度很高，被视为航空发动机“皇冠上的明珠”一台先进航空发动机约需要100～200片单晶叶片，单晶合金叶片总重不超过50公斤 20世纪80年代初期以来，第一代单晶高温合金PWA1480、ReneN4等在多种航空发动机上获得广泛应用。80年代后期以来，以PWA1484、ReneN5为代表的第二代单晶高温合金叶片也在CFM56、F100、F110、PW4000等先进航空发动机上得到大量使用，目前美国的第二代单晶高温合金已成熟，并广泛应用在军民用航空发动机上。90年代后期以来，美国研制成功第三代单晶高温合金CMSX-10。之后，GE、P&W 以及NASA合作开发了第四代单晶高温合金EPM-102。法国和英国也分别研制单晶高温合金，并实现了工程应用。近年来，日本又相继成功的研制了承温能力更高的第四、第五、第六
代单晶合金TMS-138,TMS-162,TMS-238等。 我国的单晶高温合金是由中航工业航材院于20世纪80年代初率先开始研究的，并成功研制出我国第一代单晶高温合金DD4。90年代又成功研制了第二代单晶高温合金DD6，并广泛应用已多种型号的先进航空发动机上。此外，我国的第三代单晶高温合金主要有北京航空材料研究院先进高温结构材料重点实验室研制的DD9与DD10、中国科学院金属研究所高温合金研究部研制的DD32、DD33、中国科学院金属研究所研制的DD90；第四代单晶高温合金是由中国科学院金属研究所研制的DD22；第五代单晶高温合金为陕西炼石有色研制的含铼高温合金材料。这些材料的目前仅限于实验室研发。
镍基单晶高温合金研究进展 孙晓峰，金涛，周亦胄，胡壮麒 （中国科学院金属研究所，沈阳 110016） 摘要：单晶高温合金具有较高的高温强度、良好的抗氧化和抗热腐蚀性能、优异的蠕变与疲劳抗力、良好的组织稳定性和使用可靠性，广泛应用于涡轮发动机等先进动力推进系统涡轮叶片等部件。由于采用定向凝固工艺消除了晶界，单晶高温合金明显减少了降低熔点的晶界强化元素，使合金的初熔温度提高，能够在较高温度范围进行固溶和时效处理，其高温强度比等轴晶和定向柱晶高温合金大幅度提高。经过几十年的发展，单晶高温合金已经在合金设计方法、组织结构与力学性能关系、纯净化冶炼工艺和定向凝固工艺等方面取得了重要进展。本文从单晶高温合金成分特点、合金元素作用、强化机理、力学性能各向异性、凝固过程及缺陷控制、单晶制备工艺等方面，简要介绍了单晶高温合金的主要研究进展。 关键词：单晶高温合金；强化机理；定向凝固；各向异性 Research Progress of Nickel-base Single Crystal Superalloys Sun Xiaofeng, Jin Tao, Zhou Yizhou, Hu Zhuangqi (Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China) Abstract:Single crystal superalloys have been widely used to make turbine blades and guide vanes for aero-engines and industrial gas turbines because of improved strength, creep-rupture, fatigue, oxidation and hot corrosion properties as well as stable microstructure and reliability at high temperature environments. After removal of grain boundary by using directional solidification technique, grain boundary elements which decrease the incipient melting temperature were reduced remarkably in single crystal superalloys. Consequently, the solution and aging treatment of single crystal superalloys can be done at higher temperature due to the enhanced incipient melting temperature, and then the high temperature strength of single crystal superalloys is higher than that of equiaxed and directionally solidified superalloys. There were great progress on approach of alloy design, relationship between structure and mechanical performances, process of pure smelting and processing of directional solidification in the last decades. The present work reviews these progress from compositions of alloys, role of elements, mechanism of strengthening, anisotropy of mechanical properties, procedure of solidification, control of defects and processing of single crystal superalloys. Key words：single crystal superalloy；mechanism of strengthening；directional solidification；anisotropy of properties —————————————————— 基金项目：国家973计划项目（2010CB631206） 通讯作者：孙晓峰，男，1964年生，研究员，博士生导师
航空航天镍基高温合金的研究现状 1万艳松2鞠祖强 南昌航空大学航空制造工程学院10032129 万艳松 南昌航空大学航空制造工程学院10032121 鞠祖强 摘要 简单介绍了镍基高温合金的发展历程，综述了近年来镍基高温合金的研究进展，并探讨了镍基高温合金的应用和发展趋势。 关键字：镍基高温合金性能发展现状 1.引言 高温合金是一种能够在600℃以上及一定应力条件下长期工作的金属材料，而镍基高温合金是以镍为基体(含量一般大于50%) 在650～1000℃范围内具有较高的强度和良好的抗氧化、抗燃气腐蚀能力的高温合金。 2.镍基高温合金发展过程 镍基高温合金(以下简称镍基合金)是30年代后期开始研制的。英国于1941年首先生产出镍基合金Nimonic 75(Ni-20Cr-0.4Ti)；为了提高蠕变强度又添加铝，研制出Nimonic 80(Ni-20Cr-2.5Ti-1.3Al)。美国于40年代中期，苏联于40年代后期，中国于50年代中期也研制出镍基合金。镍基合金的发展包括两个方面：合金成分的改进和生产工艺的革新。50年代初，真空熔炼技术的发展，为炼制含高铝和钛的镍基合金创造了条件。初期的镍基合金大都是变形合金。50年代后期，由于涡轮叶片工作温度的提高，要求合金有更高的高温强度，但是合金的强度高了，就难以变形，甚至不能变形，于是采用熔模精密铸造工艺，发展出一系列具有良好高温强度的铸造合金。60年代中期发展出性能更好的定向结晶和单晶高温合金以及粉末冶金高温合金。为了满足舰船和工业燃气轮机的需要，60年代以来还发展出一批抗热腐蚀性能较好、组织稳定的高铬镍基合金。在从40年代初到70年代末大约40年的时间内，镍基合金的工作温度从700℃提高到1100℃，平均每年提高10℃左右。 3.镍基高温合金成分和性能 镍基合金是高温合金中应用最广、高温强度最高的一类合金。其主要原因，一是镍基合金中可以溶解较多合金元素，且能保持较好的组织稳定性；二是可以形成共格有序的A3B型金属间化合物γ'[Ni3(Al，Ti)]相作为强化相，使合金得到有效的强化，获得比铁基高温合金和钴基高温合金更高的高温强度；三是含铬的镍基合金具有比铁基高温合金更好的抗氧化和抗燃气腐蚀能力。镍基合金含有十多种元素，其中Cr 主要起抗氧化和抗腐蚀作用，其他元素主要起强化作用。根据它们的强化作用方式可分为：固溶强化元素，如钨、钼、钴、铬和钒等；沉淀强化元素，如铝、钛、铌和钽；晶界强化元素，如硼、锆、镁和稀土元素等。
镍基单晶高温合金的典型蠕变寿命模型 李逸航;陈思远;孟凡武 【期刊名称】《金属世界》 【年(卷),期】2018(000)005 【总页数】4页(P26-28,31) 【作者】李逸航;陈思远;孟凡武 【作者单位】首都师范大学附属中学,北京 100037;北京航空航天大学能源与动力 工程学院,北京 100083;北京理工大学机械与车辆学院,北京 100081 【正文语种】中文 内容导读 镍基单晶高温合金具有一定的高温强度、良好的抗氧化、抗热腐蚀、抗冷、热疲劳性能，并有良好的塑性和焊接性。镍基单晶高温合金作为航空发动机涡轮叶片的重要材料，其力学性能对航空发动机有着重大影响，研究其疲劳寿命具有重要意义。镍基单晶高温合金蠕变疲劳损伤及寿命预测一直是国内外学者研究的重点。文章基于蠕变疲劳理论和国内外研究情况，阐述了稳态蠕变本构关系和θ映射蠕变模型，介绍了几种典型的镍基单晶高温合金的蠕变疲劳寿命模型。文章分析指出，当前在工程应用中主要采用单晶合金的蠕变疲劳宏观模型，而微观模型的研究还处于探索阶段，建议用微观模型建立蠕变寿命预测方法，分析微观理论机制，有望提高预测精度与蠕变寿命。 20世纪80年代开始，镍基单晶高温合金在发动机上的广泛应用促进了世界各国
航空发动机迅速发展，被誉为是航空发动机发展的重大技术之一[1]。镍基单晶合 金因其具备卓越的高温性能而广泛应用于发动机的热端部件。对于发动机内部高温旋转部件而言，高温离心负荷作用下的蠕变变形和蠕变断裂是其设计限制条件[2]。因此，国内外很多学者研究了单晶叶片的蠕变损伤。 目前单晶合金的蠕变疲劳宏观模型在工程中得到了广泛应用，但微观模型的研究不仅更加精确，而且更具物理意义。本文主要介绍国内外关于单晶合金蠕变-疲劳寿 命评估方法的研究进展，并对实验预测结果进行了比较。 稳态蠕变本构关系 金属蠕变是指金属材料在静应力作用下，即使作用稳态应力足够小，只要作用时间足够长，应变依旧变大的现象。金属疲劳通常指的是在交变载荷作用下金属发生破坏的现象，而蠕变疲劳通常指的是黏弹性材料承受交变载荷作用时的疲劳[3]。一 般金属材料在超过其本身熔点温度的40%～50%时，会呈现黏弹性特性。黏弹性 材料的应力应变关系可以用蠕变曲线来表示，如图1所示，在恒定应力作用下， 蠕变可分为三个阶段。在第一阶段中随着时间的变化，应变变化逐渐变慢即蠕变速率(Δε/Δt)随时间增加而减小，将这一阶段称为初始蠕变阶段。在第二阶段中随着 时间的变化，材料在恒定应力作用下应变变化曲线近似为一条直线，因此将第二阶段的蠕变速率近似看作常数，将这一阶段称为蠕变的常数阶段，即(Δε/Δt)为常数；在第三个阶段随着时间的变化，材料的应变加速上升，将这一阶段对应的区域为加速区，在此区域蠕变速率随时间而上升，随后试样断裂。 图1 恒定应力下的蠕变应变示意图 根据金属蠕变的特性，在蠕变的不同阶段，其应变随时间的变化不同，那么在讨论蠕变的本构关系时就应将三个阶段分开讨论，分别讨论各自的蠕变本构关系。然而，对于蠕变问题，寿命损耗主要在第二个阶段。本文只针对定常区的本构关系进行讨论。图2给出了同一温度下不同应力水平的定常蠕变区应变速率[3]，横坐标表示
镍基单晶高温合金高温低应力蠕变过程中典型变形机制研究进 展 杜云玲;牛建平 【摘要】以镍基单晶高温合金高温低应力蠕变变形为主，简要介绍了蠕变过程中 几个典型变形机制的研究进展，并分析合金蠕变过程研究中存在的问题。%Giving priority to the deformation of high-temperature low-stress creep of Ni-based single crystal superalloys,several related typical deformation mechanisms were reviewed and the existing problems during creep were analyzed. 【期刊名称】《沈阳大学学报》 【年(卷),期】2016(028)006 【总页数】7页(P431-437) 【关键词】镍基单晶高温合金;高温低应力蠕变;筏化;位错;TCP相 【作者】杜云玲;牛建平 【作者单位】沈阳大学机械工程学院，辽宁沈阳 110044;沈阳大学机械工程学院，辽宁沈阳 110044 【正文语种】中文 【中图分类】TG146
镍基高温合金(Ni-based Superalloys)由于具有优异的蠕变和疲劳抗力、良好的塑性和断裂韧性、良好的抗氧化和抗热腐蚀性,以及高温组织稳定性,广泛用于制作涡轮发动机等先进动力推进系统热端部件[1-4].高性能发动机的重要标志是具有高的推力和推重比,而要实现这些指标就需要不断地提高涡轮前进气口的温度,最大程度地提高燃机的效率.实现这一目标的关键在于持续提高发动机相应高温合金部件的承温能力,尤其是高压涡轮叶片和低压涡轮叶片的承温能力[4].在实际服役过程中,涡轮叶片处于高温、高应力等复杂恶劣的环境中,尤其是高压涡轮叶片承受着更高的温度和由于高速旋转造成的高离心应力.在这些外部条件的共同作用下,即使合金所受的应力水平远低于其屈服强度,叶片也会发生蠕变塑性累积,最终导致叶片断裂失效,因此蠕变行为是评价合金可靠性最重要的方面.航空发动机涡轮叶片在实际服役过程中各部位所受的温度和应力分布如图1和图2所示[5]. 从图1可以看出,尽管涡轮叶片已经拥有复杂高效的冷却通道以及热障涂层,涡轮叶片的大部分位置仍将面临较高的温度,而图2则显示,叶片经受高温的部分所受的应力相对较低(相对于低温部分).为此,各国研究者对镍基单晶高温合金的高温低应力蠕变行为进行了广泛的研究.本文以镍基单晶高温合金的高温低应力蠕变行为为主线,主要从蠕变过程中几个典型的现象出发,简要介绍单晶合金的蠕变行为研究进展. 蠕变是指试验材料在低于屈服极限的恒定应力(载荷)下发生持续塑性变形的累积,它具有一定的时间依赖性.涡轮叶片在实际服役时,大部分时间处于巡航状态,因此合金的变形以蠕变塑性累积为主.合金的蠕变性能与合金晶体的取向息息相关.一般而言,具有〈111〉取向的合金蠕变性能最高,〈011〉最低,而具有〈001〉方向的合金蠕变寿命与〈111〉相当或稍低;然而,具有〈001〉方向合金的疲劳性能显著优于具有〈111〉和〈011〉方向的合金,所以涡轮叶片在设计和实际使用过程中都尽可能使其受力沿[001] 方向,因而研究[001]取向的镍基单晶高温合金具有非常重要的实际意义.
某镍基单晶高温合金塑性变形与失效分析 李林骏; 胡绪腾; 宋迎东; 孟卫华 【期刊名称】《《航空发动机》》 【年(卷),期】2019(045)005 【总页数】6页(P97-102) 【关键词】镍基单晶高温合金; 各向异性; 广义Hill准则; 反衍优化; 失效分析; 航空发动机 【作者】李林骏; 胡绪腾; 宋迎东; 孟卫华 【作者单位】南京航空航天大学能源与动力学院南京210016; 机械结构力学及控制国家重点实验室南京210016; 中国航发湖南动力机械研究所湖南株洲412002【正文语种】中文 【中图分类】V231.91 0 引言 镍基单晶高温合金具有良好的高温性能，广泛应用于高性能航空发动机上[1-2]。 然而，镍基单晶合金具有宏观各向异性的特点，其塑性变形与失效分析一直是难点。目前，用于分析预测镍基单晶高温合金受载变形行为的方法大致分为宏观唯像法与细观晶体塑性理论2类[3-6]。晶体塑性理论必须考虑单晶材料的滑移规律，而滑 移规律十分复杂，且该类理论用于分析3维问题时，在数值积分上具有较大难度，因此在工程应用中受到较大限制[7-8]；宏观唯像法以Hill模型[9-10]为代表，在
von mises模型的基础上，通过引入各向异性参数，可以对正交各向异性材料进 行力学行为分析。此类模型较为简便，广泛应用于工程实际中，许多学者对此模型进行了修正与改进。丁智平等[3]通过增加1项由应力偏张量分量的2次乘积项构 成的应力不变量，对Hill屈服模型进行修正，能够较好地预测出拉剪耦合效应的 影响；赵萍等[11]通过在Hill屈服准则中加入含有剪切应力的项对初始Hill屈服准则进行修正，修正后的模型能够对DD3单晶的[001]、[110]、[111]3个取向的屈服应力进行较为准确地预测；C.F.SHIH等[12]细化了表征屈服应力取向依赖性的 参数，并引入描述拉压屈服应力不对称的参数，提出了广义Hill模型。 以上研究大多集中在对镍基单晶高温合金屈服强度的预测上，并没有考虑屈服后材料的塑性变形行为与材料在复杂应力状态下所能承受的极限载荷预测。随着航空发动机推重比要求的提高，对材料性能的要求也日益提升，仅仅对材料的屈服强度进行有效预测已不能满足工程设计分析的需要。本文基于广义Hill模型，根据某镍 基单晶高温合金的室温和缺口拉伸试验数据，采用反衍优化方法建立镍基单晶高温合金的各向异性本构模型，在此基础上对单晶材料缺口试件在复杂应力状态下的塑性变形行为进行分析预测，并结合Freudenthal失效准则[13]对缺口试件的抗拉 强度进行预测分析。 1 镍基单晶高温合金光滑与缺口试件拉伸试验 本文对某镍基单晶高温合金光滑平板试件和3种缺口平板试件（np-r2.5、np-r6、np-sn）进行室温拉伸试验，试验件如图1～4所示，图中数据单位均为mm。所有试件的最长对称轴轴线方向与单晶材料的 [001]取向重合。 图1 光滑平板件 图2 缺口平板np-r2.5 图3 缺口平板np-r6 图4 缺口平板np-sn
镍基高温合金的研究和应用 王睿 【摘要】镍基高温合金是通常以镍铬为合金基体,并根据具体需求加入不同的合金元素,从而形成的单一奥氏体基体组织.由于镍元素在化学稳定性、合金化能力和想 稳定性上的优势,镍基高温合金相对于铁基和钴基高温合金具有更优异的高温强度、抗疲劳性能、抗热腐蚀性、组织稳定性等性能.经过几十年发展和完善,我国高温合 金领域在合金设计方法、合金种类、冶炼和热处理工艺、工业化管理等方面均取得了较大的进展,而凭借其独特的优势,镍基高温合金已经成为当代航空航天和燃气轮 机工业中地位最重要的高温结构材料.本文主要从常见镍基高温合金分类、冶炼工 艺和处理方式、强化机理以及合金化等方面,简要介绍了镍基高温合金的主要研究 进展和实际应用.%Nickel-base high-temperature alloys are usually made of nickel-chromium alloy and different alloy elements are added according to specific requirements, thus forming a single austenitic matrix. Because of the advantages of chemical stability, alloying ability and relative stability of nickel element, Nickel-base high-temperature alloys has more excellent high temperature strength, fatigue resistance, thermal properties, such as corrosion resistance, stability of the organization. After decades of development and improvement, the high temperature alloys in China have made great progress in the aspects of alloy design methods, alloy types, smelting and heat treatment processes, industrialization management, etc. With their unique advantages, Ni-based superalloys have become the most important high temperature structural materials in the aerospace and gas turbine industries. In this paper, the main research progress and
镍基单晶abaqus模拟本科选题 一、引言 在工程学领域，镍基单晶合金因其在高温和高压环境下具有优异的力学性能而备受关注。而在这类金属材料的研究领域中，abaqus仿真软件作为一种常用的方法用于模拟这类材料的力学行为。镍基单晶abaqus模拟成为了本科选题中的热门话题之一。 二、镍基单晶的特性和应用 1. 镍基单晶的组成和结构 镍基单晶合金主要由镍、钴、铬和其他合金元素组成，具有长程有序的结构。相较于其他金属材料，其单晶结构可以在高温高应力作用下保持较高的强度和韧性。 2. 镍基单晶的应用领域 镍基单晶合金广泛应用于航空航天、石油化工、汽车和能源等领域，例如高温涡轮叶片、加力器和燃烧室等部件。其在高温高压下的高温强度和抗氧化性能使得它成为这些领域中不可或缺的材料之一。 三、镍基单晶abaqus模拟的重要性和挑战 1. 重要性 镍基单晶abaqus模拟是对这类高性能材料力学行为进行研究和分析的重要手段。通过仿真模拟，可以深入理解材料在高温高压环境下的
应力、应变、断裂行为等力学特性，为工程设计和材料优化提供重要参考。 2. 挑战 然而，镍基单晶abaqus模拟也面临诸多挑战。镍基单晶材料的复杂力学行为需要精确的本构模型和力学参数来描述。高温高压环境下材料的温度和应变载荷对模拟的要求较高，需要克服数值模拟的稳定性和收敛性问题。 四、镍基单晶abaqus模拟的方法和技术 在进行镍基单晶abaqus模拟时，需要综合考虑材料的本构模型、网格划分、温度和应力加载等因素。下面将对这些因素进行详细介绍： 1. 本构模型的选择 针对镍基单晶材料的非线性、温度依赖等特点，常用的本构模型包括晶体塑性本构模型、本构模型和蠕变本构模型等。选择合适的本构模型是进行abaqus模拟的关键一步。 2. 网格划分 为了准确模拟材料的力学行为，在进行abaqus模拟时需要进行合理的网格划分。尤其是在材料断裂行为的模拟中，网格划分的精细程度直接影响模拟结果的准确性。
单晶镍基高温合金的高温蠕变及相关参数 刘宝柱;田素贵;尹玲娣;洪鹤;徐永波;胡壮麒 【期刊名称】《钢铁研究学报》 【年(卷),期】2003()z1 【摘要】通过测定一种单晶镍基高温合金的高温拉伸蠕变曲线和位错运动的内摩擦应力σ0,建立了综合蠕变方程,计算出不同蠕变阶段的激活能和相关参数.结果表明:在蠕变期间,内摩擦应力σ0随外加应力σ的增加而略有提高,但随温度升高而明显下降.在实验温度和应力范围内,在不同蠕变阶段,具有不同的激活能Q,时间指数m和结构常数Bi.因此,合金在不同蠕变阶段具有不同的蠕变机制.蠕变初期,形变机制是位错在基体通道中运动;而大量位错切入筏状γ'相中是蠕变第3阶段的主要特征,在γ'/γ两相界面产生空洞及空洞的聚集和微裂纹扩展是蠕变断裂的直接原因.【总页数】5页(P284-288) 【关键词】单晶;镍基高温合金;蠕变;内摩擦应力 【作者】刘宝柱;田素贵;尹玲娣;洪鹤;徐永波;胡壮麒 【作者单位】 【正文语种】中文 【中图分类】TG132.3;TG111.8 【相关文献】 1.一种镍基单晶高温合金的高温蠕变行为 [J], 张剑;赵云松;骆宇时;贾玉亮;杨帅;唐定中
2.镍基单晶高温合金定向粗化行为及高温蠕变力学性能研究进展 [J], 吴文平;郭雅芳;汪越胜 3.含Re镍基单晶高温合金高温低应力蠕变初期γ/γ′界面结构研究 [J], 黄鸣;朱静; 4.镍基单晶合金CMSX-2高温蠕变后的显微组织及合金元素分布特征 [J], 彭志方;任遥遥;骆宇时;燕平;赵京晨;王延庆 5.一种单晶镍基合金高温蠕变相关参数的试验研究 [J], 田素贵;杨洪才;周惠华;张静华;徐永波;胡壮麒 因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买
定向凝固镍基高温合金冷加工工艺特性 研究 摘要：镍基高温合金的切削作用力较大，在加工过程中需要使用冷加工工艺 降低切削温度，为保证服役中工件表面完整性和稳定性，研究定向凝固镍基高温 合金冷加工工艺特性。选择Nimonic PE13作为试验材料，对定向凝固镍基高温 合金冷加工工艺温度和时间进行分析。研究结果表明，定向凝固镍基高温合金的 抗拉强度和延伸率随变形量的增加而变化，最后趋于稳定。在冷加工初期，元素 扩散速度快，后期扩散驱动力逐渐减小，因此镍基高温合金的性能和晶粒尺寸出 现变化，并且温度越高，达到元素均匀分布所花费的时间越短。冷加工工艺具有 硬化效果，降低材料裂纹出现概率。 关键词：定向凝固；镍基高温合金；冷加工；工艺特性； 中图分类号：TG146.2文献标识码：A 0引言 镍基高温合金以镍为基本元素，其晶体结构在熔化过程中保持不变。在高温 和强机械应力环境下，合金具有抗氧化和抗腐蚀能力，元素通道中镶嵌方块结构，能够保持组织稳定性，具有优越的综合性能，因此被广泛应用于机械制造中[1-2]。合金材料在机械应力作用下，容易在应力轴垂直方向上出现裂纹，导致位错切割 和攀移，形成性能薄弱区。采用定向凝固技术后，横向晶界消除，固溶过程中无 新相生成。定向凝固处理使镍基高温合金的蠕变抗力得到增强，延长了材料的服 役寿命[3]。镍基高温合金的切削作用力大，在加工过程中需要使用冷加工工艺降 低切削温度，保证服役中工件表面完整性和稳定性。冷加工工艺可以快速控制晶 界脆性碳化物膜。本文对定向凝固镍基高温合金冷加工工艺特性进行研究，降低 固溶处理难度，增强合金的持久强度。
1 试验材料与方法 本试验所采用的原材料是Nimonic PE13镍基高温合金叶片，其化学成分如表1所示。 表1原材料化学成分 元素 含 量（%） 元 素 含 量（%） C 0.0 5-0.15 B ≤0 .01 Cr 20. 5-23 Mn≤1 Co 0.5 -2.5 Si≤1 W 0.2 ~1 P ≤0 .025 Mo 8~1 S ≤0 .015 Al ≤0 .5 Cu ≤0 .5 Ti ≤0 .15 Ni 余 量
热加工工艺轮廓法测量镍基高温合金单晶叶片内部残余应力分布-概述说明以及解释 1.引言 1.1 概述 热加工工艺是一种广泛应用于材料加工领域的工艺方法。它通过对材料进行加热和塑性变形，以改变材料的形状和性能。在镍基高温合金单晶叶片的制造过程中，热加工工艺起着至关重要的作用。 本文旨在探讨轮廓法测量在镍基高温合金单晶叶片内部残余应力分布研究中的应用。轮廓法测量是一种常用的非破坏性测量方法，通过测量材料表面的轮廓变化，可以获得材料内部的残余应力分布情况。 文章的正文将分为几个主要部分进行介绍。首先，我们将对热加工工艺进行定义和背景介绍，包括其作用和分类。其次，我们将详细探讨轮廓法测量的原理、步骤和优势，并阐述轮廓法测量在镍基高温合金单晶叶片中的应用。接着，我们将深入研究镍基高温合金单晶叶片内部残余应力分布的形成原因和影响因素，并介绍测量方法和研究进展。最后，我们将阐述实验方法和结果，并总结主要发现、研究意义、不足之处以及进一步的研究方向。
通过本文的研究，我们可以更好地理解热加工工艺在镍基高温合金单晶叶片制造中的作用，并且可以利用轮廓法测量技术来研究材料内部的残余应力分布情况。这将有助于优化叶片的设计和制造过程，提高材料的性能和可靠性。同时，本文也将为进一步的研究提供了一些重要的方向和思路。写文章1.1 概述部分的内容 1.2 文章结构 本文共包括四个部分，分别为引言、正文、实验方法和结果以及结论。 引言部分（Chapter 1）主要介绍了本文的背景和目的。首先，对热加工工艺在材料加工中的重要性进行了概述，并指出了热加工工艺在提高材料性能和改善材料结构方面的作用。接着，简要介绍了文章的结构和各个章节的内容安排，以便读者对整个文章有一个整体的了解。最后，总结了本文的主要内容和观点。 正文部分（Chapter 2）是本文的重点，包括热加工工艺、轮廓法测量、镍基高温合金单晶叶片内部残余应力分布等内容。在2.1节中，将介绍热加工工艺的定义和背景、热加工工艺的作用以及在镍基高温合金单晶叶片中的应用。2.2节将详细介绍轮廓法测量的原理、步骤和优势，以及其在镍基高温合金单晶叶片内部残余应力分布中的应用。2.3节将讨论镍基高温合金单晶叶片内部残余应力分布的形成原因、影响因素以及测量方法和研究进展。最后，2.4节将介绍实验方法和结果，包括实验设计、步