镍基单晶高温合金
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dd5镍基单晶高温合金使用极限以dd5镍基单晶高温合金使用极限为题,本文将从合金的组成、性能及应用等方面进行阐述。
一、合金的组成dd5镍基单晶高温合金是一种由镍、铬、钼、铁等元素组成的合金。
这种合金中的镍具有良好的耐高温性能,能够在高温下保持较高的强度和耐蠕变性能。
铬和钼的添加能够提高合金的抗氧化性能和耐腐蚀性能。
此外,铁的加入可以增加合金的热塑性,提高合金的加工性能。
二、合金的性能dd5镍基单晶高温合金具有优异的高温性能,主要表现在以下几个方面:1. 高温强度:dd5合金在高温下具有很高的强度,能够承受高温环境下的较大载荷。
2. 耐氧化性:合金中的铬元素能够形成致密的铬氧化物层,有效阻止氧气的渗透,提高合金的抗氧化性能。
3. 耐蠕变性能:dd5合金具有较好的耐蠕变性能,能够在高温和高应力条件下保持形状稳定性。
4. 抗疲劳性能:合金具有良好的抗疲劳性能,能够在循环加载下长时间保持稳定的性能。
三、合金的应用dd5镍基单晶高温合金在航空航天领域有着广泛的应用,主要用于制造高温部件,如燃烧室、涡轮叶片、燃气轮机等。
具体应用包括以下几个方面:1. 燃烧室:合金具有良好的耐高温性能和抗氧化性能,能够承受高温燃烧室中的高温和高压环境,保证燃烧室的稳定工作。
2. 涡轮叶片:dd5合金具有优异的高温强度和耐蠕变性能,能够承受高温和高速气流的冲击,保证涡轮叶片的稳定运转。
3. 燃气轮机:dd5合金具有良好的抗氧化性能和耐疲劳性能,能够在高温和高应力条件下长时间工作,保证燃气轮机的可靠性。
4. 其他高温部件:dd5合金还可用于制造其他高温部件,如燃气轮机的燃烧室、燃烧器和涡轮机组件等,能够满足高温工作环境下的需求。
dd5镍基单晶高温合金具有优异的高温性能,广泛应用于航空航天领域的高温部件制造。
通过合金的组成优化和性能调控,不断提高合金的高温稳定性和耐蠕变性能,将进一步推动合金在航空航天领域的应用。
镍基单晶高温合金DD5磨削成屑机理研究*于贵华1, 朱 涛1, 蔡 明1, 安志欣1, 王成静2, 罗书宝1(1. 辽宁石油化工大学 机械工程学院, 辽宁 抚顺 113001)(2. 辽宁石油化工大学 石油化工学院, 辽宁 抚顺 113001)摘要 为研究镍基单晶高温合金DD5的磨削去除机理,提高其加工效率,针对镍基单晶高温合金具有显著各向异性的特点,建立基于Hill 模型的三维有限元磨削模型,研究镍基单晶高温合金DD5的表面加工形貌和切屑形貌,分析切屑形貌演变过程及其磨削力变化,探究磨削速度对切屑形貌和切屑形成频率的影响。
研究表明:在磨削参数范围内,加工DD5容易出现锯齿形切屑;磨削力呈稳定增加并伴有一定的周期性波动,其波动情况与锯齿形切屑相对应;随着磨削速度的增大,磨粒能更快进入切削阶段,其临界成屑厚度由0.225μm 最终降为0.158 μm ,成屑阶段占比由85.0%提高到89.5%;临界划擦厚度受磨削速度变化影响不大;随着磨削速度的增加,DD5切屑形貌由锯齿分节密集堆叠的单元节状向连续型锯齿状转变,最后发展为条形带状切屑。
关键词 磨削;切屑形貌;镍基单晶高温合金DD5;有限元分析中图分类号 TG58; TH161 文献标志码 A 文章编号 1006-852X(2023)06-0760-12DOI 码 10.13394/ki.jgszz.2022.0169收稿日期 2022-10-11 修回日期 2023-01-16作为航空发动机涡轮盘、转子叶片、涡轮导向叶片等关键零部件的主要材料,镍基单晶高温合金具有优异的物理和化学性能,例如抗蠕变性能、耐高温性能、抗冲击性能等[1-2]。
然而,这些优异的力学性能也给其加工制造带来了巨大困难,使其出现加工质量差、加工成本高等缺点[3]。
和其他传统加工方式相比,磨削加工具有加工质量好、精度高等特点,能够满足镍基单晶高温合金在特殊工况下的使用条件[4]。
但是,在磨削过程中镍基单晶高温合金仍出现磨削温度高、磨削力大、能量损耗高、加工效率低等难点[5]。
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。
镍基单晶高温合金的发展概况镍基单晶高温合金的发展概况黄爱华1,崔树森1,王少刚1,杨胜群1,刘秀玲2,于兴福1(1.沈阳黎明航空发动机(集团)有限责任公司,辽宁沈阳110043;2.沈阳铸造研究所,辽宁沈阳110022)摘要:论述了单晶高温合金的制备方法,凝固过程的控制。
概述了单晶高温合金的发展历程以及合金成分的发展。
最后介绍了我国高温合金的发展状况。
关键词:镍基单晶高温合金;制备方法;合金成分高温合金由等轴晶经历了定向柱晶发展到单晶,既是发动机工作温度不断提高的要求,也是凝固技术持续发展的结果。
镍基单晶高温合金通常划分为五代,早期研制的单晶合金称为第一代单晶合金[1],随着铼(Re)元素的引入,第二代和第三代单晶合金[2]相继出现,近期开始在单晶合金中加入元素钌(Ru),从而研制出第四代至第五代单晶高温合金。
镍基高温合金广泛应用于航空、航天、舰船、发电、机床、石油和化工等工业领域,在航空发动机上主要用于制作热端部件,如涡轮工作叶片、导向叶片、涡轮盘、燃烧室和压气机等部件。
在整个高温合金领域中,镍基高温合金占有特殊重要的地位,与铁基和钴基合金相比,镍基合金具有更好的高温性能,良好的抗氧化和抗腐蚀性能,可以说,镍基高温合金的发展决定了航空涡轮发动机的发展,也决定了航空工业的发展。
采用定向凝固技术制备出的单晶合金,其使用温度已接近合金熔点的90%,成为当代先进航空发动机热端部件不可替代的重要结构材料。
1情况介绍铸件形成定向柱晶组织必须具备两个条件,一是热流必须垂直于晶体生长的固液界面单向流动;二是固液界前方的液体中没有稳定的晶核。
Bridgman法就是一种广泛应用的由高温熔体生长单晶的方法。
单晶和定向柱晶凝固过程的唯一差别是单晶必须是由一个晶核长大而成的。
获得单一晶核的方法通常有两种:即选晶法和籽晶法,两种方法各有优缺点、互相补充。
(1)螺旋生长法制备单晶的基本原理(图1,图2),众多晶粒在经过螺旋形的单晶选择器后,只剩下生长最快的一个晶粒,从而形成单晶。
镍基高温合金是一类以镍为主要基体元素,能在1000℃以上的高温环境下长期工作的
金属材料。
镍基高温合金具有较高的高温强度、良好的抗氧化和抗腐蚀性能、良好的疲劳性能和断裂韧性等综合性能。
根据不同的应用场景和性能要求,镍基高温合金有很多牌号。
以下是一些常见的镍基高温合金牌号:
1. IN718:这是一种广泛应用于航空航天、石油、化工等领域的镍基高温合金。
它具有较高的抗蠕变性能、抗压抗屈服强度和抗氧化性。
2. IN738:这是一种高强度、耐磨的镍基高温合金,适用于航空航天、汽车等高负荷、高应力环境下的部件。
3. IN939:这是一种镍基高温合金,具有高的屈服强度、蠕变强度和抗氧化性,适用于制造航空航天、石油、化工等领域的耐热部件。
4. GH4033:这是一种我国自行研制的难变形镍基高温合金,具有高的屈服强度和持久蠕变强度,以及良好的抗氧化性能。
主要应用于发动机转子零件。
5. GH3039:这是一种镍基高温合金,具有较高的抗蠕变性能、抗压抗屈服强度和抗氧化性,适用于航空航天、石油、化工等领域的高温环境。
技术改造—308—不同温度下镍基单晶高温合金的低周疲劳性能薛庆增(海装沈阳局驻沈阳地区某军事代表室,辽宁 沈阳 110043)镍基单晶高温合金因具有非常优异的综合性能而成为先进航空发动机涡轮工作叶片和导向叶片的关键材料。
涡轮叶片作为航空发动机中的关键热端部件,服役时不同位置的温度差别较大,存在极其复杂的温度场,承受较大的热应力,同时还承受高离心力和高温交变载荷作用,因此常发生应变控制的低周疲劳失效。
为此,对一种Ni-Cr-Co-Mo-W-Ta-Nb-Re-Al-Hf-C 系单晶高温合金在800,980℃下的低周疲劳性能进行了研究,拟为单晶高温合金的工程应用提供参考。
1试样制备与试验方法在水冷型高温梯度真空感应单晶炉中制备Ni-Cr-Co-Mo-W -Ta-Nb-Re-Al-Hf-C 系单晶高温合金棒,采用X射线极图法测得合金的晶体取向为[001]取向,取向偏离角度保持在10°以内。
采用箱式电阻热处理炉对合金进行热处理,热处理工艺为1290℃×1h+1300℃×2h+1315℃×2h+1330℃×6h 空冷+1140℃×4h 空冷+870℃×32h 空冷。
将热处理后试样加工成低周疲劳试样,采用DST-5型低周疲劳试验机对试样进行低周疲劳试验,试验温度分别为800,980℃,采用总应变控制法,加载应变速率为5×10-3s -1,应变比为-1,应力波形为三角形。
在100℃、质量分数为25%的高锰酸钾溶液中,利用水煮法去除疲劳断口表面的氧化皮,然后进行超声清洗,采用S4800型扫描电镜观察疲劳断口形貌。
在疲劳断口附近位置截取试样,采用双喷电解法制备透射试样,在JEM-2000FX 型透射电镜下观察位错形貌。
2试验结果与讨论2.1合金的低周疲劳寿命 在800,980℃下,合金的低周疲劳寿命(失效循环次数)均随总应变幅的增加而降低;总应变幅相同时,980℃下合金的疲劳寿命低于800℃下的;总应变幅较高时,2种温度下合金的疲劳寿命相差较小,总应变幅较低时,合金的疲劳寿命相差较大。
镍基单晶合金力学特性及其在冷却涡轮叶片上的应用分析一、本文概述本文旨在深入研究和探讨镍基单晶合金的力学特性,以及其在冷却涡轮叶片上的具体应用。
镍基单晶合金,以其出色的高温性能、优良的抗氧化性和卓越的机械强度,在航空航天领域,特别是在高性能涡轮发动机的设计制造中占据了重要地位。
涡轮叶片作为发动机中的关键部件,其性能直接影响到发动机的整体效率和安全性。
因此,研究镍基单晶合金的力学特性,以及如何利用这些特性优化涡轮叶片的设计和制造,具有重要的理论和实践意义。
本文首先将对镍基单晶合金的基本力学特性进行详细的分析,包括其强度、韧性、蠕变行为等关键性能指标。
接着,将探讨这些特性在高温、高应力等复杂环境下的变化规律,以及影响这些变化的主要因素。
在此基础上,本文将进一步分析镍基单晶合金在冷却涡轮叶片上的应用,包括叶片的设计、制造、性能测试等方面。
本文将总结镍基单晶合金在涡轮叶片领域的应用现状和发展趋势,以期为相关领域的研究和实践提供有益的参考和启示。
二、镍基单晶合金的力学特性镍基单晶合金,作为一种高性能材料,具有许多独特的力学特性,这些特性使其在航空、航天等高科技领域,特别是在冷却涡轮叶片的制造中发挥了重要作用。
镍基单晶合金具有极高的高温强度。
在高温环境下,许多金属材料的强度会大幅度下降,而镍基单晶合金则能在高温下保持较高的强度,这对于需要承受高温环境的涡轮叶片来说是非常重要的。
镍基单晶合金具有优异的抗蠕变性能。
蠕变是指材料在长时间持续应力作用下发生的缓慢塑性变形。
镍基单晶合金的优异抗蠕变性能使其在高温和长期应力作用下能够保持较好的尺寸稳定性,这对于涡轮叶片等需要长期承受高温和应力的部件来说至关重要。
镍基单晶合金还具有较好的延展性和韧性。
这意味着在受到外力冲击时,镍基单晶合金能够吸收较多的能量,而不易断裂,从而提高了部件的安全性和可靠性。
镍基单晶合金还具有良好的抗氧化性能。
在高温环境下,金属材料容易发生氧化,导致性能下降。
单晶高温合金母合金1范围本文件规定了镍基单晶高温合金母合金的订货内容、尺寸、重量、技术要求、试验方法、检验规则、包装、标志、运输与储存及质量证明书等。
本文件适用于采用真空感应方法熔炼的镍基单晶高温合金母合金(以下简称母合金)。
2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。
其中,注日期的引用文件,仅该日期对应的版本适用于本文件;不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。
GB/T223.3钢铁及合金化学分析方法二安替比林甲烷磷钼酸重量法测定磷量GB/T223.4钢铁及合金化学分析方法硝酸铵氧化容量法测定锰量GB/T223.8钢铁及合金化学分析方法氟化钠分离-EDTA滴定法测定铝量GB/T223.9钢铁及合金化学分析方法铬天青S光度法测定铝含量GB/T223.11钢铁及合金化学分析方法过硫酸铵氧化容量法测定铬量GB/T223.15钢铁及合金化学分析方法重量法测定钛GB/T223.17钢铁及合金化学分析方法二安替比林甲烷光度法测定钛量GB/T223.20钢铁及合金化学分析方法电位滴定测定钴量GB/T223.25钢铁及合金化学分析方法丁二酮肟重量法测定镍量GB/T223.26钢铁及合金化学分析方法硫氰酸盐直接光度法测钼量GB/T223.28钢铁及合金化学分析方法α-安息香肟重量法测定钼GB/T223.29钢铁及合金化学分析方法载体沉淀-二甲酚橙光度法测定铅量GB/T223.30钢铁及合金化学分析方法对-溴苦杏仁酸沉淀分离-偶氮胂Ⅲ分光光度法测定锆量GB/T223.31钢铁及合金化学分析方法蒸馏分离-钼篮分光光度法测定砷量GB/T223.35钢铁及合金化学分析方法脉冲加热惰气熔融库仑滴定法测定氧量GB/T223.37钢铁及合金化学分析方法蒸馏分离—靛酚蓝光度法测定氮量GB/T223.39钢铁及合金化学分析方法氯磺酚S光度法测定铌量GB/T223.41钢铁及合金化学分析方法离子交换分离-连苯三酚光度法测定钽量GB/T223.42钢铁及合金化学分析方法离子交换分离-溴邻苯三酚红光度法测定钽量GB/T223.43钢铁及合金化学分析方法钨量的测定GB/T223.46钢铁及合金化学分析方法火焰原子吸收光谱法测定镁量GB/T223.47钢铁及合金化学分析方法载体沉淀-钼篮光度法测定锑量GB/T223.48钢铁及合金化学分析方法半二甲酚橙光度法测定铋量GB/T223.50钢铁及合金化学分析方法苯基荧光酮—溴化十六烷基三甲基胺直接光度法测定锡量GB/T223.51钢铁及合金化学分析方法5-Br-PADAP光度法测定锌量GB/T223.53钢铁及合金化学分析方法火焰原子吸收分光光度法测定铜量GB/T223.56钢铁及合金化学分析方法巯基棉分离—示波极谱法测定碲量GB/T223.60钢铁及合金化学分析方法高氯酸脱水重量法测定硅含量GB/T223.62钢铁及合金化学分析方法乙酸丁脂萃取光度法测定磷量GB/T223.63钢铁及合金化学分析方法高碘酸钠(钾)光度法测定锰量GB/T223.67钢铁及合金化学分析方法还原蒸馏-次甲基蓝光度法测定硫量GB/T223.68钢铁及合金化学分析方法管式炉内燃烧后碘酸钾滴定法测定硫含量GB/T223.69钢铁及合金化学分析方法管式炉内燃烧后气体容量法测定碳含量GB/T223.70钢铁及合金化学分析方法邻菲啉分光光度法测定铁量GB/T223.72钢铁及合金化学分析方法氧化铝色层分离-硫酸钡重量法测定硫量GB/T223.73钢铁及合金化学分析方法三氯化钛-重铬酸钾容量法测定铁量GB/T223.75钢铁及合金化学分析方法甲醇蒸馏-姜黄素光度法测定硼量GB/T223.89钢铁及合金碲含量的测定氢化物发生-原子荧光光谱法GB/T228.2金属材料拉伸试验第2部分:高温试验方法GB/T2039金属材料单轴拉伸蠕变试验方法GB/T14992高温合金和金属间化合物高温材料的分类和牌号GB/T20123钢铁总碳总硫含量的测定高频感应炉燃烧后红外线吸收法GB/T20124钢铁氮含量的测定惰性气体熔融热导法(常规方法)GB/T20127.1钢铁及合金痕量元素的测定第1部分:石墨炉原子吸收光谱法测定银含量GB/T20127.8钢铁及合金痕量元素的测定第8部分:氢化物发生-原子荧光光谱法测定锑含量GB/T20127.10钢铁及合金痕量元素的测定第10部分:氢化物发生-原子荧光光谱法测定硒含量GB/T20127.11钢铁及合金痕量元素的测定第11部分:电感耦合等离子体质谱法测定铟和铊含量GB/T20127.13钢铁及合金痕量元素的测定第13部分:碘化物萃取-苯基荧光酮光度法测定锡含量GB/T25829高温合金成品化学成分允许偏差GB/T31309镍基高温合金电子空位数计算方法GB/T34209不锈钢多元素含量的测定辉光放电原子发射光谱法GB/T38939镍基合金多元素含量的测定火花放电原子发射光谱分析法(常规法)HB/Z131铸造高温合金选用原材料技术要求HB5406铸造高温合金锭浮渣试验方法HB20241.8高温合金化学成分光谱分析方法第8部分:电感耦合等离子体原子发射光谱法测定铪、铌、钨含量HB20241.7高温合金化学成分光谱分析方法第7部分:电感耦合等离子体原子发射光谱法测定铝,钴,铜,铁,锰,钼,钛含量3术语和定义GB/T25932界定的以及下列术语和定义适用本文件。
镍基单晶高温合金是近几十年来在少数发达国家中采用单晶技术生产的新型材料,该材料用做航空发动机叶片,可显著提高发动机的工作温度和发动机功率,对航空工业产品的更新换代具有重要的意义。
多年来人们在合金成分设计,冶金工艺,单晶制备,晶体缺陷及蠕变机制等方面进行了大量的研究工作,研究成果层出不穷。
到目前为止,已经有五代单晶高温合金相继问世。
而我国在单晶高温合金的研制方面,还处于落后状态。
单晶高温合金的高强度是多种强化机制和多种元素共同作用的结果。
因此,单晶合金成分、工艺的改变对合金的组织与力学性能的关系的影响是一个较为复杂的问题。
本工作的试验材料主要选用正在研制的低含徕的第三代单晶高温合金DD90,该合金具有高强度、低成本的特点。
研究其组织与性能之间的关系不仅可以为合金的研制提供直接图3.5为DD90合金在1320℃/4h,AC处理条件下的显微组织。
从图中可以观察到1320℃时合金在共晶区产生初熔。
由此可以确定合金初熔点为1320℃。
经过标准热处理后DD90合金在各种试验条件下的持久性能数据列于表3.4中。
可以看出:无论是在高温还是较低温度下,合金都具有较高的延伸率,说明该合金具有较好的塑性。
将试验所得的持久寿命的数据与典型第二代单晶高温合金CMSX-4的持久寿命比较发现,在几种持久条件下DD90持久性能远高于典型第二代单晶高温合金CMSX一4国外单晶合金的发展第一代:PW A1480 美F100-220ReneN4 美F110-129 CFM56-5SRR99 英RB211 RB199AM3 法M88-2ЖС32俄АЛ-31Ф第二代:PW A1484 美 PW4000系列V2500ReneN5 美 GE90CMSX-4 美 EJ200 RB211ЖС36俄 2%Re,不含Ta,持久强度却能达到第二代水平,原因之一就是加入稀土元素。
第三代:ReneN6 美CMSX-10 美(两种牌号铼的含量最高分别达5.6%、7%,难熔元素的总含量(Re、Ta、W、Mo)高达20%)TMS-75 日 Re含量5%第四代:RR3010 英 TrentTMS-138 日 2%RuMC-NG 法 4%Ru第五代:TMS-162 日 Ru含量6%1.高温合金高温合金是随着航空航天技术的发展需要而发展起来的一种高温结构材料,经过几十年的发展,各国均建立了各自的高温合金系列,主要用于发动机的涡轮叶片、涡轮盘和燃烧室等。
第42卷第4期2023年8月沈㊀阳㊀理㊀工㊀大㊀学㊀学㊀报JournalofShenyangLigongUniversityVol 42No 4Aug 2023收稿日期:2022-12-27基金项目:国家自然科学基金项目(51871221)作者简介:祝祥(1997 )ꎬ男ꎬ硕士研究生ꎮ通信作者:杜晓明(1976 )ꎬ男ꎬ教授ꎬ博士ꎬ研究方向为先进铝合金的制备与加工成型ꎮ文章编号:1003-1251(2023)04-0069-06DD419镍基单晶高温合金980ħ下低周疲劳行为研究祝㊀祥1ꎬ杜晓明1ꎬ刘纪德2(1.沈阳理工大学材料科学与工程学院ꎬ沈阳110159ꎻ2.中国科学院金属研究所ꎬ沈阳110016)摘㊀要:对DD419镍基单晶高温合金在980ħ下的低周疲劳行为进行试验研究ꎬ并对疲劳数据进行分析ꎬ获得该温度下合金疲劳参数ꎮ结果表明:该合金低周疲劳变形过程中ꎬ弹性变形起主要作用ꎬ塑性变形较低ꎻ循环应力响应行为以先循环软化㊁再趋于稳定为主要方式ꎬ并且随着应力幅的增加ꎬ循环寿命不断降低ꎮ低应变幅下ꎬ合金的疲劳断裂表现为脆性断裂的特征ꎬ并呈现出明显的多源疲劳特征ꎬ微观断口形貌的主要特征是出现准解理台阶ꎬ可判断准解理断裂是主要的断裂机制ꎮ关㊀键㊀词:镍基单晶高温合金ꎻ低周疲劳ꎻ疲劳寿命ꎻ断裂机制中图分类号:TU973.2+54文献标志码:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1251.2023.04.011StudyonLowCycleFatigueBehaviorofDD419NickelBaseSingleCrystalSuperalloyat980ħZHUXiang1ꎬDUXiaoming1ꎬLIUJide2(1.ShenyangLigongUniversityꎬShenyang110159ꎬChinaꎻ2.InstituteofMetalResearchꎬChineseAcademyofSciencesꎬShenyang110016ꎬChina)Abstract:Thelow ̄cyclefatiguebehaviorofDD419Nickel ̄basedsinglecrystalsuperalloyat980ħisexperimentallystudiedandthefatiguedataisanalyzedtoobtainthefatiguepa ̄rameters.Theresultsshowthatelasticdeformationplaysamajorroleintheprocessoflowcyclefatiguedeformationꎬwhileplasticdeformationisrelativelylow.Thecyclicstressre ̄sponsebehavioriscyclicsofteningfirstandthenstabilizingꎬandthecycliclifedecreaseswiththeincreaseofstressamplitude.Atlowstrainamplitudeꎬthefatiguefractureoftheal ̄loyshowsthecharacteristicsofbrittlefractureꎬandpresentsobviousmulti ̄sourcefatiguecharacteristics.Themainfeatureofthemicroscopicfracturemorphologyisthepresenceofquasi ̄dissociationfractureꎬbywhichitcanbejudgedthatthequasi ̄dissociationfractureisthemainfracturemechanism.Keywords:nickel ̄basedsinglecrystalsuperalloyꎻlowcyclefatigueꎻfatiguelifeꎻfracturemechanism㊀㊀DD419镍基单晶高温合金相较于其他高温合金ꎬ具有高温强度高㊁综合力学性能好㊁铸造工艺性能良好等优势ꎬ广泛应用在航空发动机的涡轮叶片中[1]ꎮ与国外的CMSX ̄4高温合金相比ꎬDD419合金在拉伸性能㊁蠕变性能㊁抗氧化性能㊁耐热和耐腐蚀等方面的表现基本相近[2-3]ꎬ且其含铼元素少㊁制备成本低㊁使用范围更广ꎮ疲劳是高温合金最主要的失效形式ꎬ低周疲劳损伤又是涡轮叶片材料的主要失效形式之一ꎮ为确保构件服役过程中的安全与稳定ꎬ很多学者研究了高温合金材料的疲劳性能ꎮFan等[4]研究了镍基单晶高温合金DD10分别在温度为760ħ和980ħ下不同应变幅的低周疲劳行为ꎬ结果表明:在高应变范围内ꎬ由于塑性变形ꎬ合金在760ħ时更容易萌生裂纹ꎻ在低应变范围内ꎬ980ħ时断口会出现明显的氧化损伤ꎬ加速了裂纹萌生ꎮCharles等[5]研究了CMSX ̄4合金低周疲劳过程中位错结构的变化ꎬ得出位错形态在低应力下类似于蠕变㊁高应力下与拉伸断裂类似的结论ꎮDD419合金常作为燃气轮机涡轮叶片材料ꎬ其工作温度通常能达到980ħꎮ因此ꎬ本文研究DD419合金在980ħ下的低周疲劳断裂行为ꎬ并从理论上分析应变-寿命关系㊁循环应力响应行为及疲劳裂纹的产生与扩展行为之间的关系ꎬ以期获得关于该合金低周疲劳行为较为完整的认识ꎮ1㊀试验部分1.1㊀试样的制备试验选用含Re第二代镍基单晶高温合金ꎬ其成分含量见表1ꎮ首先ꎬ用真空感应炉(VIDP ̄25型ꎬ沈阳真空技术研究所有限公司)冶炼试验合金的母合金ꎬ并在真空条件下浇铸形成母合金铸锭ꎬ采用螺旋选晶法ꎬ在工业用大型双区域加热真空高梯度单晶炉(ZGD ̄2型ꎬ锦州航星真空设备有限公司)中制备具有<001>取向的单晶棒材ꎻ然后ꎬ用热电偶温度计测量箱式热电阻炉(CWF型ꎬ德国CARBOLITEGERO公司)的温度ꎬ测温结果满足ʃ5ħ的误差范围内再对单晶棒材进行热处理操作ꎻ之后ꎬ进行固溶处理(温度1280~1300ħꎬ时间为9hꎬ空冷)ꎻ最后ꎬ进行两级时效处理(温度1110~1150ħꎬ时间4hꎬ空冷ꎻ温度870ħꎬ时间14hꎬ空冷)ꎮ经完全热处理之后ꎬ将单晶棒材试样加工成如图1所示的尺寸ꎮ图1㊀单晶棒材试样尺寸表1㊀DD419合金成分含量(质量分数)%CrCoWMoReAlTiTaHfNi6.809.306.501.003.005.801.106.500.09余量1.2㊀试验方法低周疲劳试验在电液伺服疲劳试验机(100kN ̄8型ꎬMTS系统公司)上进行ꎬ试验温度为980ħꎬ试验数据采集(按照对数采集)与处理全部在计算机上进行ꎮ具体试验条件见表2ꎮ表2㊀高温低周疲劳试验条件试验温度/ħ试验波形应变比应变速率/s-1加载频率/Hz介质控制方式980三角波0.050.0060.15~0.3空气恒定应变㊀㊀DD419合金试样在低周疲劳试验后ꎬ采用线切割切下约2~3mm的断口试样ꎬ切割时尽量避07沈㊀阳㊀理㊀工㊀大㊀学㊀学㊀报㊀㊀第42卷免破坏或污染切割部位ꎮ切割结束后将断口试样置于盛有丙酮溶液的烧杯中ꎬ并用超声波仪器清洗ꎬ冲洗完毕后烘干ꎬ得到清洁干净的断口试样ꎮ随后ꎬ采用扫描电子显微镜(S ̄3400N型ꎬ日立公司)观察断口的宏观和微观形貌ꎮ2㊀结果与讨论2.1㊀应变-寿命行为测得DD419高温合金在980ħ下的弹性应变幅(Δεe/2)㊁塑性应变幅(Δεp/2)和总应变幅(Δεt/2)与疲劳寿命(2Nf)之间的关系ꎬ在双对数坐标系下绘制关系曲线ꎬ如图2所示ꎮ图2㊀应变-疲劳寿命关系曲线㊀㊀塑性应变幅值和弹性应变幅值的交点称为过渡寿命ꎬ图2中两条曲线无交点ꎬ故DD419合金低周疲劳过程中不存在过渡寿命ꎮ由图2可见ꎬ弹性应变幅远远大于塑性应变幅ꎬ这一特点与多数高强度镍基高温合金相似ꎮ因此ꎬ在低周疲劳区间ꎬ弹性应变在变形中占主导地位ꎬ材料疲劳寿命的长短主要取决于强度ꎮ文献[6]指出ꎬ多数钴基合金由于塑性较好ꎬ在断裂过程中塑性往往起主要作用ꎮ对于恒定应变幅控制下的应变-寿命曲线ꎬ可用Manson ̄Coffin[7]寿命模型来表达ꎬ公式为Δεt2=Δεe2+Δεp2=σfᶄE(2Nf)b+εfᶄ(2Nf)c(1)式中:σfᶄ为疲劳强度系数ꎻb为疲劳强度指数ꎻεfᶄ为疲劳延性系数ꎻc为疲劳延性指数ꎻE为弹性模量ꎮ将应变比为0.05的DD419低周疲劳数据进行拟合ꎬ得到与疲劳相关的系数ꎬ代入式(1)可得Δεt2=0.0589(2Nf)-0.6173+0.0233(2Nf)-0.1784(2)根据式(2)并利用线性回归分析方法即可确定DD419镍基单晶高温合金在980ħ下的低周疲劳参数σfᶄ㊁εfᶄ㊁b㊁cꎬ如表3所示ꎮ表3㊀DD419合金疲劳参数试验温度/ħσfᶄ/MPaεfᶄbcKᶄ/MPanᶄE/GPa98020490.0589-0.1784-0.617339070.2691882.2㊀循环应力-应变关系材料的循环应力-应变曲线能较好地体现低周疲劳条件下材料的实际应力和应变特征ꎮDD419高温合金循环应力-应变关系曲线如图3所示ꎮ图3中曲线由半寿命附近的滞回曲线获得ꎬ详见文献[8]ꎬ可采用下式描述Δσ2=Kᶄ(Δεp2)nᶄ(3)式中:Δσ/2为应力幅ꎻKᶄ为循环强度系数ꎻnᶄ为循环应变硬化指数ꎮ通过对图3中的试验数据进行非线性拟合ꎬ即可确定Kᶄ与nᶄ值(见表3)ꎮ图3㊀循环应力-应变关系曲线2.3㊀循环应力响应行为循环应力响应行为主要包括循环硬化㊁循环17第4期㊀㊀㊀祝㊀祥等:DD419镍基单晶高温合金980ħ下低周疲劳行为研究稳定和循环软化三个阶段ꎮ在恒定应变控制的低周疲劳循环中ꎬ随着加载周次增加ꎬ应力逐渐上升是循环硬化ꎬ反之为循环软化ꎮ循环硬化和软化现象与材料的位错运动有关[9]ꎬ循环硬化可导致材料性能下降甚至失效ꎬ循环软化常伴随着循环应力水平的快速下降ꎬ通常出现在已经充满了位错缠结和阻碍的冷加工合金中ꎮ循环应力响应曲线反映了双对数坐标下应力幅与循环周次的关系ꎬDD419高温合金在980ħ下循环应力响应曲线如图4所示ꎮ图4㊀DD419在980ħ下循环应力响应曲线㊀㊀从图4中可看出ꎬDD419合金的循环应力响应行为与应变幅的大小密切相关ꎬ随着总应变幅值的不断增加ꎬ合金所受应力幅值亦逐渐增大ꎬ且疲劳寿命随循环周次减小而缩短ꎮ当应变幅为0.3%时ꎬ合金在循环过程中的应力响应行为呈现先循环软化㊁再过渡到循环稳定阶段ꎬ随后出现短暂硬化阶段ꎬ最后过渡到循环稳定阶段ꎬ直至突然断裂ꎻ当应变幅为0.4%时ꎬ合金循环应力响应行为的整体趋势与总应变幅为0.3%时相近ꎬ不同之处在于总应变幅为0.4%时ꎬ合金循环稳定阶段的疲劳周次要少ꎬ且循环软化行为更加明显ꎻ当总应变幅为0.5%时ꎬ合金首先显示出循环硬化ꎬ继而转入循环稳定过程ꎬ最后萌生出裂纹ꎬ并发生突然断裂ꎻ在总应变幅达到0.6%㊁0.7%时ꎬ由于循环周次不断上升ꎬ合金的循环应力响应行为也趋于稳定ꎬ但在疲劳过程的中期ꎬ合金的循环应力响应曲线由循环硬化过渡到循环软化ꎬ而疲劳过程后期ꎬ循环应力响应曲线又呈现了迅速下降的态势ꎬ随之在很短的疲劳周次中出现了突然断裂ꎮ2.4㊀断口形貌分析镍基高温合金疲劳断口的一个典型特征是有多个疲劳源区[10]ꎮ图5为总应变幅分别为0.3%㊁0.5%㊁0.6%下断口的宏观形貌ꎮ图5㊀不同应变幅下疲劳断口的宏观形貌㊀㊀宏观上看ꎬ高温合金的疲劳断口形貌一般都比较粗糙ꎬ断口颜色呈青蓝色ꎮ疲劳裂纹主要萌生于试样边缘及附近ꎬ且有多个疲劳源ꎮ从图5中可见ꎬ随着总应变幅的增加ꎬ断口边缘及表面出现的疲劳裂纹也逐渐变多ꎬ导致疲劳断裂拓展速率加快ꎬ疲劳寿命降低ꎮ另外ꎬ疲劳断口区域主要由疲劳源㊁疲劳扩展区和瞬断区三部分组成[11-12]ꎬ图中A㊁B㊁C分别代表疲劳源区㊁疲劳扩展区和瞬断区ꎬ三个区域具有明显的特征ꎮ随着总应变幅的增大ꎬ断口中三个部分的面积也发生27沈㊀阳㊀理㊀工㊀大㊀学㊀学㊀报㊀㊀第42卷了变化ꎬ其中瞬断区面积变化最大ꎬ在整个断口区域所占比重越来越大ꎻ随着低周疲劳测试过程中总应变幅的增加ꎬ合金在低周疲劳过程中承受的外加载荷逐渐增大ꎬ从而导致DD419合金低周疲劳断口中瞬断区的面积逐渐增大ꎮ图6为不同应变幅下疲劳断口的微观形貌ꎮ对于同一合金ꎬ在低周疲劳试验过程中ꎬ随着应变幅值的增大ꎬ疲劳源区域的光滑度降低ꎬ平坦的小平面也减少ꎬ使得疲劳源区域表面逐渐变得粗糙ꎻ这是由于伴随应变幅值的增加ꎬ微观中滑移带或位错结构与合金中的强化粒子γᶄ相的交互作用加剧ꎬ导致强化粒子γᶄ相失去其有序结构ꎬ降图6㊀不同应变幅下疲劳断口的微观形貌低了γᶄ相对合金基体γ相的强化作用ꎬ从而导致合金的抗疲劳变形能力下降ꎬ合金的循环疲劳周次逐渐减少[13]ꎮ因此ꎬ疲劳过程中疲劳源区的断面所经受的持续摩擦和挤压的次数也在减少ꎬ表面的光滑程度也逐渐降低ꎮ在低应变幅下ꎬ疲劳扩展区断口处存在明显的裂纹ꎬ并沿晶面拓展ꎬ如图6(a)所示ꎻ断口表面存在许多短小的裂纹ꎬ局部区域存在撕裂棱和准解理台阶的特征ꎬ扩展区还出现不明显的疲劳辉纹ꎬ可能是氧化腐蚀较严重导致ꎬ如图6(b)所示ꎻ部分区域还存在很多深浅不一的韧窝和孔洞ꎬ如图6(c)所示ꎮ瞬断区断口处有明显的金属滑移痕迹ꎬ并出现了准解理台阶ꎬ因此可判断合金的断裂机制为准解理断裂ꎮ文献[14-15]指出ꎬ随温度的上升ꎬ更容易发生位错的交滑移和攀移ꎬ在不动位错累积到一定水平时ꎬ就会出现准解理断裂ꎮ3㊀结论本文研究了DD419镍基单晶高温合金在980ħ下的低周疲劳行为ꎬ得到如下结论ꎮ1)根据Manson ̄Coffin寿命模型ꎬDD419疲劳断裂过程中弹性变形起主要作用ꎮ2)980ħ下ꎬ由于位错的往复运动和交互作用ꎬDD419镍基单晶高温合金的循环应力响应行为在0.3%㊁0.4%应变幅下表现为先循环软化ꎬ后由循环硬化过渡到循环稳定阶段ꎬ最后突然断裂ꎻ在0.5%应变幅下首先出现循环硬化ꎬ继而转入到循环稳定阶段ꎬ最后断裂ꎻ0.6%㊁0.7%应变幅下表现为先稳定阶段ꎬ后循环硬化又过渡到循环软化ꎬ最后逐渐稳定ꎬ直至突然断裂ꎮ3)DD419镍基单晶高温合金在980ħ低周疲劳断裂特征表现为明显的多裂纹源性ꎬ随着应变幅的降低ꎬ裂纹数目也逐渐减少ꎬ疲劳寿命随之增加ꎮ在0.3%㊁0.5%㊁0.6%应变幅下ꎬ裂纹萌生于试样表面位置ꎬ出现准解理台阶ꎬ因此判断合金的断裂机制为准解理断裂ꎮ参考文献:[1]史振学ꎬ胡颖涛ꎬ刘世忠.不同温度下镍基单晶高温合金的低周疲劳性能[J].机械工程材料ꎬ2021ꎬ4537第4期㊀㊀㊀祝㊀祥等:DD419镍基单晶高温合金980ħ下低周疲劳行为研究(3):16-20ꎬ28.[2]赵运兴ꎬ员莹莹ꎬ马德新ꎬ等.高温合金CMSX ̄4和DD419单晶铸件中共晶含量的试验研究[J].航空制造技术ꎬ2022ꎬ65(17):74-80.[3]李寒松ꎬ孙士江ꎬ刁爱民ꎬ等.热等静压对DD419单晶高温合金组织与持久性能的影响[J].铸造ꎬ2021ꎬ70(5):554-559.[4]FANZDꎬWANGDꎬLOULH.Corporateeffectsoftemperatureandstrainrangeonthelowcyclefatiguelifeofasingle ̄crystalsuperalloyDD10[J].ActaMet ̄allurgicaSinica(EnglishLetters)ꎬ2015ꎬ28(2):152-158.[5]CHARLESCMꎬDREWGAꎬBAGNALLSꎬetal.Dislocationdeformationmechanismsduringfatigueofthenickel ̄basedsuperalloyCMSX 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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。