一种镍基单晶高温合金的蠕变各向异性

一种镍基单晶合金的拉伸蠕变特征
水丽;郑鹏
【期刊名称】《沈阳理工大学学报》
【年(卷),期】2009(028)002
【摘要】研究了[001]取向镍基单晶高温合金的高温拉伸蠕变性能,通过SEM、TEM观察分析了相的形貌演化及合金的变形机理.结果表明:在980～1
020℃/200～280MPa条件下蠕变曲线均由初始、稳态及加速蠕变阶段组成;在拉伸蠕变期间γ'强化相由初始的立方体形态演化为与应力轴垂直的N-型筏形状;初始阶段位错在基体的八面体滑移系中运动,稳态阶段不同柏氏矢量的位错相遇,发生反应形成位错网;蠕变末期,应力集中致使大量位错在位错网破损处切入筏状γ'相是合金发生蠕变断裂的主要原因.
【总页数】4页(P21-23,31)
【作者】水丽;郑鹏
【作者单位】沈阳理工大学,材料科学与工程学院,辽宁,沈阳110168;沈阳理工大学,材料科学与工程学院,辽宁,沈阳110168
【正文语种】中文
【中图分类】TG132.3+2
【相关文献】
1.一种4.5％Re镍基单晶合金在980℃蠕变期间的变形与损伤机制 [J], 舒德龙;田素贵;梁爽;张宝帅
2.一种2％Ru镍基单晶合金的高温蠕变行为及断裂特征 [J], 梁爽; 孙雪娇; 刘智鑫; 纪良博
3.一种二代镍基单晶合金750°C原位蠕变行为研究 [J], 赵京浩;何文玲;唐亮;吕俊霞;王晋;张跃飞;张泽
4.一种镍基单晶合金在不同温度下的蠕变变形机理 [J], 孙跃军;尚勇;姜晓琳
5.预压缩镍基单晶合金拉伸蠕变期间的组织演化 [J], 于兴福;田素贵;杜洪强;王明罡;尚丽娟;崔树森
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

一种镍基单晶合金在不同温度下的蠕变变形机理
孙跃军;尚勇;姜晓琳
【期刊名称】《兵器材料科学与工程》
【年(卷),期】2012(35)6
【摘要】利用螺旋选晶法制备了一种不含Re的低成本镍基单晶合金,研究合金在不同温度下的蠕变变形机理。

结果表明:在850℃×441 MPa条件下,合金的蠕变变形主要是大量位错在基体中的滑移和对增强相的切割;在950℃×250 MPa条件下,合金的蠕变变形主要是位错以层错的形式切割γ′相;在1 040℃×137 MPa条件下,合金的蠕变变形比较复杂,既有位错在基体中的滑移,也有位错攀移通过增强相,同时在γ/γ′界面处形成部分位错网。

【总页数】4页(P49-52)
【关键词】镍基单晶合金;蠕变变形;位错;攀移;层错
【作者】孙跃军;尚勇;姜晓琳
【作者单位】辽宁工程技术大学材料科学与工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TG132.3
【相关文献】
1.一种4.5％Re镍基单晶合金在980℃蠕变期间的变形与损伤机制 [J], 舒德龙;田素贵;梁爽;张宝帅
2.固溶温度对单晶镍基合金成分偏析和蠕变行为的影响 [J], 田素贵;李秋阳;郭忠革;
薛永超;曾征;舒德龙;谢君
3.一种含
4.2％Re单晶镍基合金在蠕变期间的组织演化与变形特征 [J], 田素贵;梁福顺;黎阿男;李晶晶;钱本江
4.一种含4.2%Re单晶镍基合金在蠕变期间的组织演化与变形特征 [J], 田素贵;梁福顺;黎阿男;李晶晶;钱本江
5.TLP连接对一种镍基单晶高温合金高温蠕变变形组织的影响 [J], 刘纪德;王志辉;金涛;赵乃仁;孙晓峰;管恒荣;胡壮麒
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

金属材料的高温蠕变与失效机理金属材料作为工业领域中使用最广泛的材料之一，已经得到了广泛的应用。

在高温环境下，金属材料的高温蠕变是一个常见的失效模式。

传统的高温合金通常采用了一种强化技术来提高其耐蠕变性能，但是这种耐蠕变性能仍然存在一定的限制。

本文将探讨金属材料在高温环境下的蠕变失效机理，以及一些不同类型的强化技术和材料。

高温蠕变与失效机理高温蠕变是指在高温环境下，由于材料的应力应变过大，导致材料的失效。

高温蠕变主要包括两种类型：一种是形变蠕变（dislocation creep），另一种是胀变蠕变（diffusional creep）。

形变蠕变是由于材料的晶格中位错的弥散和交换形成的。

当位错从它们的平衡位置上偏移时，它们在材料内部会发生滑移。

由于位错相互干扰会产生阻力，所以材料的形变也会导致局部的漂移。

胀变蠕变是由于材料在高温条件下形成了一些小孔，这些小孔会使得材料发生体积变化。

不同类型的蠕变机理对不同类型的材料有不同的影响。

在某些材料中，比如单晶的镍基高温合金中，形变蠕变是最主要的蠕变失效机理。

而在其它材料中，比如多晶的合金，胀变蠕变是主要的蠕变失效机理。

强化技术与材料在高温蠕变方面，以往经验表明，金属材料在高温下的蠕变失效与它们的晶粒尺寸，晶界强度，位错密度等多种因素都有关系。

因此，为了提高金属材料在高温环境下的耐蠕变性能，可以采用一些不同的强化技术和材料。

第一种强化技术是制备多晶材料。

它可以通过控制晶粒尺寸，晶界能，晶界角度等多种参数来控制合金的微观结构和性能。

通过在含有晶界的合金中添加强固化元素，可以显著提高合金的耐蠕变性能。

第二种强化技术是通过添加微合金元素来改善合金的微观结构和性能。

比如，在镍基高温合金中添加微量的铝和钛元素可以显著提高合金的高温蠕变强度和延展性。

这是因为这些元素可以合成高强的γ'相，而γ'相的粒子减缓了位错的滑移和晶界上的微塑性。

第三种强化技术是采用处理工艺，比如提高材料的冷加工程度、热加工程度等来提高合金的微观结构和性能。

镍基高温合金材料的蠕变性能测定蠕变是材料在高温和高应力条件下的一种时间依赖性变形，对于镍基高温合金材料来说，蠕变行为的研究尤为重要。

本文将介绍镍基高温合金材料蠕变性能的测定方法及其应用。

一、引言镍基高温合金材料具有优异的高温抗氧化、耐蠕变和抗疲劳性能，在航空航天、能源等领域得到广泛应用。

然而，由于工作条件的复杂性，蠕变行为的研究成为保证材料可靠性和安全性的关键。

二、蠕变性能的测定方法1. 短期蠕变实验短期蠕变实验是测定材料在高温下加载时瞬时蠕变变形的一种方法。

实验通常以恒定应力或变应力加载，结合不同温度和时间进行测试。

通过记录应力-时间曲线和蠕变应变-时间曲线，可以得到蠕变应变速率、蠕变曲线等参数。

这种实验方法可以快速获取材料的初步蠕变性能。

2. 恒应力蠕变实验恒应力蠕变实验是测定材料在高温下长期蠕变变形的一种方法。

实验中，加载恒定应力到材料上，记录蠕变应变随时间的变化情况。

通过分析蠕变曲线，可以得到蠕变应力、蠕变速率、蠕变寿命等参数。

这种实验方法能较好地模拟材料在实际工作条件下的蠕变行为。

3. 应变速率控制蠕变实验应变速率控制蠕变实验是测定材料在高温下不同应变速率下的蠕变行为的一种方法。

通过加载具有不同应变速率的变形，记录蠕变应变-时间曲线以及应力-应变曲线，可以得到应变速率对蠕变性能的影响。

这种实验方法可以实现对材料蠕变行为的精确控制，对于研究材料在复杂工况下的蠕变行为具有重要意义。

三、蠕变性能的应用镍基高温合金材料的蠕变性能对其在高温和高应力条件下的应用至关重要。

蠕变性能的测定结果对于优化材料设计、提高组织结构和工艺等方面有着重要指导意义。

1. 材料设计通过研究材料的蠕变行为，可以了解材料在高温和高应力条件下的变形机制，为材料设计提供重要依据。

通过合理选择合金元素、优化相组成和比例，可以改善材料的蠕变抗力，提高其在高温环境下的耐久性。

2. 工艺改进蠕变性能的测定结果可以指导工艺改进。

通过调整热处理工艺、控制晶粒尺寸和形态，可以有效提高镍基高温合金材料的蠕变性能，降低在高温应力下的变形。

镍基单晶合金高温蠕变行为的研究新进展镍基单晶合金是目前航空发动机涡轮叶片的主要制造材料，其蠕变性能是关系到发动机使用安全和服役寿命的重要因素。

本文从成分组成、蠕变机制、本构模型等方面论述了近年来镍基单晶合金研究的新进展，特别着重于阐明镍基单晶合金蠕变行为与微结构演化之间的联系，论述了晶体塑性有限元方法在单晶叶片力学行为模拟中的应用，为我国发动机叶片设计和强度分析提供重要的理论参考和技术指导。

标签：镍基单晶合金蠕变微结构晶体塑性一、引言航空发动机涡轮叶片长期处于高温下，受到复杂应力和燃气冲击腐蚀等综合作用，工作条件十分恶劣。

涡轮叶片等热端部件的可靠性是影响发动机性能和寿命的关键因素和技术难点。

镍基单晶合金因具有较高的高温强度、优异的蠕变、疲劳抗力及良好的抗氧化性和抗热腐蚀性，被广泛用于制造航空发动机的涡轮叶片等核心部件。

镍基单晶合金通过定向凝固技术消除了晶界，使其高温抗蠕变、疲劳性能大大增强，成为最受关注、应用最广的高温合金。

随着发动机服役温度的不断提高，单晶材料的蠕变行为和变形机制也随温度升高表现出不同的特征。

因此，建立合适的本构模型对镍基单晶合金的蠕变行为进行预测，对于我国航空发动机叶片设计、强度分析和寿命预测具有重要的意义。

二、镍基单晶合金的发展趋势及现状镍基单晶合金由于其优异的抗蠕变、疲劳和耐腐蚀性能，在过去的几十年里得到了世界各国的重视，并形成了合金系列应用到航空发动机的热端部件中，如美国的CMSX-2、CMSX-4、CMSX-10系列，英国的RR2000系列，法国的MC2、MC-NG系列，日本的TMS-75、TMS-138、TMS-162系列等。

我国镍基单晶高温合金研制从20世纪80年代初开始，现已发展到以DD22为代表的第四代合金材料，但是，合金性能和发达国家相比尚存在一定的差距，距离大范围实际应用还有较长的路要走。

镍基单晶合金优异的高温性能得益于Re、Ru、W等难熔金属的添加。

Re 的添加有助于改善高温合金的显微组织和热稳定性，降低不稳定相及单晶缺陷等的影响，从而显著增强单晶合金的高温抗蠕变性能。

2018年第5期26镍基单晶高温合金的典型蠕变寿命模型Typical Creep Life Model of Nickel-based Single Crystal Super-alloy供稿|李逸航1，陈思远2，孟凡武3 / LI Yi-hang 1, CHEN Si-yuan 2, MENG Fan-wu 3DOI: 10.3969/j.issn.1000–6826.2018.05.007作者单位：1. 首都师范大学附属中学，北京 100037；2. 北京航空航天大学能源与动力工程学院，北京 100083；3. 北京理工大学机械与车辆学院，北京 10008120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27高温合金科技前沿Advances in Science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。

镍基单晶高温合金在不同条件下的蠕变性能和组织演化史振学;李嘉荣;刘世忠;王效光【期刊名称】《中国有色金属学报（英文版）》【年(卷),期】2014(000)008【摘要】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,600 MPa)、(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,120 MPa)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。

%The creep properties of nickel-based single crystal superalloy with [001] orientation was investigated at different test conditions. The microst ructure evolution of γ′ phase, TCP phase and dislocation characteristic after creep rupture was studied by SEM and TEM. The results show that the alloy has excellent creep properties. Two different types of creep behavior can be shown in the creep curves. The primary creep ischaracterized by the high amplitude at test conditions of (760 °C, 600 MPa) and (850 °C, 550 MPa) and the primary creep strain is limited at (980 °C, 250 MPa), (1100 °C, 140 MPa) and (1120 °C, 120 MPa). A little changeofγ′precipitate morphology occurs at (760 °C, 600 MPa). The lateral merging of the γ′ precipitate has already begun at (850 °C, 550 MPa).Theγphase is surrounded by theγ′phase at (980 °C, 250 MPa). Theγphase is no longer continuous tested at (1070 °C, 140 MPa). At (1100 °C, 120 MPa), the thickness ofγphase continues to increase. No TCP phase precipitates in the specimens at (760 °C, 600 MPa), (850 °C, 550 MPa) and (980 °C, 250 MPa). Needle shaped TCP phase precipitates in the specimens tested at (1070 °C, 140 MPa) and (1100 °C, 120 MPa). The dislocation shear mechanism including stacking fault formation is operative at lower temperature and high stress. The dislocation by-passing mechanism occurs to form networks atγ/γ′interface under the condition of high temperature and lower stress.【总页数】8页(P2535-2542)【作者】史振学;李嘉荣;刘世忠;王效光【作者单位】北京航空材料研究院先进高温结构材料重点实验室，北京 100095;北京航空材料研究院先进高温结构材料重点实验室，北京 100095;北京航空材料研究院先进高温结构材料重点实验室，北京 100095;北京航空材料研究院先进高温结构材料重点实验室，北京 100095【正文语种】中文因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

一种含4％ Ru新型镍基单晶高温合金蠕变性能的研究梁爽;刘智鑫;付颖;徐广晨【摘要】采用d电子理论(Md法)和电子空穴(Nv法)的合金设计方法,利用定向凝固技术制备一种含大量W、Mo难溶元素,含4％ Ru的镍基单晶高温合金,并对其进行高温蠕变性能测试及组织形貌观察.结果表明,合金经完全热处理后,γ'相以共格方式镶嵌在γ基体中,尺寸约为0.4μm,可以看到合金无TCP相(拓扑密排相)析出.在137M Pa、1020℃条件下,其蠕变寿命为315h,较DD403高温合金蠕变寿命提高31.8％,蠕变伸长量提高13.0％.合金在高温蠕变期间γ '相形成筏状结构,随蠕变进行,筏状结构扭曲并发生断裂,直至形成宏观裂纹,最终导致试件断裂,这是镍基单晶高温合金的断裂机制.【期刊名称】《有色金属加工》【年(卷),期】2016(045)002【总页数】4页(P21-24)【关键词】元素Ru;镍基单晶高温合金;蠕变性能;TCP相【作者】梁爽;刘智鑫;付颖;徐广晨【作者单位】营口理工学院,辽宁营口115014;营口理工学院,辽宁营口115014;营口理工学院,辽宁营口115014;营口理工学院,辽宁营口115014【正文语种】中文【中图分类】TG132.3高温合金按其基体成分不同可分为3类，铁基高温合金、钴基高温合金和镍基高温合金,其中镍基高温合金的发展最为迅速，使用也最为广泛[1]。

由于镍基高温合金拥有较强的高温力学性能、较高的抗磨损性能以及良好的耐腐蚀性能[2]，所以被广泛应用在航空发动机热段部件中[3]。

随着镍基单晶高温合金的不断发展，元素Re的大量添加逐渐成为其发展的关键因素，第二代及第三代镍基单晶高温合金分别添加了3%及6%的Re元素[4]。

添加大量的Re元素确实能大幅度提高合金性能，但作为难溶元素，其大量添加也促使TCP相的析出[5]。

同时，Re元素在地球上含量较少，价格较昂贵。

元素Ru与Re一样，是一种难溶的铂族元素，具有较低的密度(12.2g/cm3)，较高的熔点(2523K)和沸点(4423K)，其价格约为Re 的1/3。

一种镍基单晶高温合金蠕变激活能及应力指数计算研究梁爽;刘智鑫;王刚;纪量博【摘要】制备了一种含钌镍基单晶高温合金,并对其进行高温蠕变性能测试,在应力为760～800MPa,温度为760～800℃的测试条件下,研究其表观激活能及表观应力指数的计算方法.通过计算得到,表现激活能Q=367.2 kJ/mol,表现应力指数n=13.3,表明所制备的镍基单晶高温合金在中温高应力条件下(760～800℃,760～800'MPa),蠕变期间的变形机制是位错在基体中滑移及位错切入γ'相.【期刊名称】《新技术新工艺》【年(卷),期】2016(000)005【总页数】3页(P75-77)【关键词】镍基单晶高温合金;蠕变激活能;应力指数;中温高应力【作者】梁爽;刘智鑫;王刚;纪量博【作者单位】营口理工学院机电工程系,辽宁营口 115014;营口理工学院机电工程系,辽宁营口 115014;营口理工学院机电工程系,辽宁营口 115014;营口理工学院机电工程系,辽宁营口 115014【正文语种】中文【中图分类】TG132.3高温合金零件在工作中的主要失效形式是蠕变失效，而并非机械故障失效[1]。

所谓蠕变是指合金在一定应力条件下(一般远小于屈服强度)缓慢的变形，其应变速率非常小，一般为10-3～10-10/s。

不同材料发生蠕变的温度不同，有的材料在室温下就可以发生蠕变，而金属材料发生蠕变的温度往往在0.3 TM以上，高温合金的蠕变温度最低也要在0.56 TM。

高温合金的蠕变主要分为3个阶段，即蠕变的初始阶段、稳态阶段(也称线性阶段)和加速阶段。

在蠕变的初始阶段，应力突然增加，位错大量生成并在基体中滑移，此时蠕变速率很大，随着位错不断增加，以及它们之间的相互作用，形成位错塞积[2]，致使位错运动的阻力增大，蠕变速率降低，与此同时，随着位错的滑移和攀移，高温合金还会发生回复软化，当回复软化与位错塞积形成的加工硬化达到平衡时，蠕变进入到第2个阶段；在稳态阶段的蠕变过程中，由于加工硬化与回复软化保持平衡，蠕变速率恒定，应变量与时间成正比例关系，所以该阶段也称为线性阶段；随着蠕变的不断进行，越来越多的位错聚集到γ′相附近，产生应力集中，当应力集中达到一定程度，位错切入γ′相内，使γ′相的变形抗力降低[3]，蠕变进入第3个阶段，即加速阶段。