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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

张姝  
【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。


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