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热冲击条件下钴基合金的组织演化与失效机理

温俊霞  
【摘要】:钴基合金作为传统的高温合金,在核电设备及航空航天设备中发挥着不可替代的作用。本研究所用钴基合金采用热等静压技术制备,具有非常好的高温强度和耐蚀性,这种合金使用环境特点包括剧烈加热和急速冷却的温度变化,因此本文针对热冲击试验中钴基合金的组织演化和失效机理从氧化、力学性能、组织和应力四个方面进行了综合研究。通过静态氧化试验,分析了钴基合金的静态氧化产物、氧化动力学。同时进行了静态氧化处理前后试样的压缩力学性能、静态氧化条件下的高温拉伸和高温疲劳性能的测试,分析了不同条件下钴基合金试样断裂行为的差异,结果都表明静态氧化中的氧化对钴基合金力学性能的影响不明显。针对热冲击前后的钴基合金,进行了拉伸性能、抗弯性能等宏观力学性能测试和纳米压痕方法的微观力学性能测试。研究发现:钴基合金热冲击试样横截面上的大面积损伤(氧化裂纹)是钴基合金宏观力学性能下降的主要因素。残余应力、位错密度和微裂纹是微观力学性能发生变化的主要原因,利用Suresh模型计算、EBSD分析等手段对以上三个因素进行了分析。通过原位拉伸试验对钴基合金的拉伸断裂过程进行了观察和分析,发现了碳化物相的优先开裂现象。结合内聚力模型利用Cohesive单元对钴基合金的拉伸断裂行为进行了模拟,模拟结果说明碳化物周围的扩散层对钴基合金的拉伸行为有直接影响。通过对热冲击处理后钴基合金的基本组织变化、晶界扩散和微裂纹等微结构的变化研究,发现钴基合金试样中的Cr、W等元素在热冲过程中发生了扩散,形成了M_6C和M_(23)C_6等析出物。析出物和界面扩散层,都随着热冲击温度的升高和热冲击次数的增多而不断增多或增厚,并且再次在热冲击试样内部碳化物上发现了微裂纹。通过建立多晶体塑性模型,利用Cohesive单元模拟钴基合金中WC颗粒和Co基体间的扩散层,对钴基合金加热和冷却过程中由于热膨胀系数不同产生的内应力大小和分布进行了模拟。模拟结果表明,热冲击加热过程WC碳化物晶内应力集中比较严重,而在冷却的时候在WC/Co基体的界面处应力最大,易出现损伤,这解释了热冲击过程中微裂纹在界面和硬质相上萌生的现象。通过热冲击氧化和静态氧化试验的对比,重点研究了热冲击过程中裂纹的起源和扩展。分析了生成氧化物时产生的体积变化、氧化物与基体热膨胀系数(CTE)的不匹配、基体与内部氧化物之间的温度梯度等因素产生的各种应力,并进行了计算。这些应力促进了热冲击裂纹的形核,同时热冲击后试样上大量内氧化物的存在,降低了合金的致密度,减小了裂纹的扩展阻力。通过对热冲击过程中产生的微裂纹长度进行统计,发现裂纹扩展速率符合经典裂纹扩展方程Paris定律,裂纹扩展速率受热应力主导。针对热冲击试验中表面氧化物的指状生长这一科学问题进行了探讨。通过对Stokes-Herring-Suo模型进行拓展,计算了氧化物生长过程中扩散-蠕变产生的力。通过shear-lag力学模型,分析了这些指状氧化物受力模式与生长行为的关系。


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