超温及应力条件下IC10合金的组织演化及机理

针对燃气涡轮叶片超温运行可能引发的合金劣化问题,对燃气涡轮叶片用IC10合金超温(1070~1250℃)、拉/压应力(30~90 MPa)条件下的微观组演化进行系统分析。结果表明:无应力超温热暴露过程中IC10合金中二次γ′相的退化方式主要包括球化、粗化和回溶,随着热暴露温度的升高及热暴露时间的延长,在γ/γ′相界面能降低的驱动下,二次γ'相形状由花状向圆方状及球状演变。二次γ'相的面积分数随温度的升高及时间的延长逐渐降低。在高于1225℃下热暴露时间超过50 h后,二次γ'相完全回溶。随着温度的升高和时间的延长,二次γ'相尺寸逐渐增加,γ'相粗化符合由元素扩散控制的Lifshitz-Slozov-Wagner理论。在超温有应力热暴露过程中,随着温度的增加,γ'相筏化现象逐渐加剧。拉应力促进γ'相沿垂直于应力轴的方向出现N型筏化,压应力则促进γ'相沿平行于应力轴的方向出现P型筏化。相对于压应力,拉应力状态下γ'相筏化进程更加迅速。根据超温及应力条件下IC10合金的组织演化图谱可对服役后叶片的服役工况进行反向判定。

不同温度下IC10合金的本构关系

利用材料试验机（MTS809）测得IC10合金在很宽的温度范围（25-800℃）和不同应变率（10^-5-10^-2s^-1）内的应力-应变曲线。试验结果表明：室温下IC10合金的流变行为对应变率不太敏感;相同应变率（10^-4s^-1）下,流变行为对温度较敏感;在不同应变率、25-800℃温度范围内,IC10合金的屈服应力变化很小。基于试验数据,修正并拟合了Johnson-Cook方程,并利用该方程对不同温度和不同应变率下IC10合金的流变应力进行预测。与试验数据对比表明,修正后的Johnson-Cook方程能较好地描述IC10合金在不同的温度和应变率条件下的流变行为。

不同中间层合金对IC10合金的连接

采用B或Zr作为降熔元素分别配制不同中间层合金,并对IC10合金进行连接。分析不同状态下焊缝组织。结果表明,含B中间层合金连接IC10时,保温时间较长可以达到等温凝固,而含Zr中间层合金在本试验条件下表现为钎焊过程。

EB-PVD热障涂层对IC10合金力学性能的影响

采用电弧离子镀技术在IC10合金基体上制备NiCrAlYSi粘结层,利用电子束物理气相沉积(EB-PVD)技术在粘结层上制备YSZ陶瓷面层。研究了YSZ热障涂层对IC10合金拉伸、持久、疲劳性能的影响。结果表明:IC10合金沉积YSZ热障涂层后,980℃/200MPa高温持久寿命与IC10合金相当;900℃高温抗拉强度σb、屈服强度σ0.2、伸长率δ和断面收缩率ψ与基体相比,基本保持不变;室温抗拉强度σb、屈服强度σ0.2与基体相比稍有下降;800℃/447MPa疲劳寿命与基体合金相当。因此,IC10合金沉积TBCs涂层后,对IC10合金力学性能无明显影响,不影响合金的实际使用。

IC10合金TLP扩散焊接头组织与强度分析

IC10合金是Ni3Al基金属间化合物材料,对该材料的过渡液相(TLP,transient liquid phase)扩散焊试验进行分析。结果表明,采用合适的中间层和焊接工艺,IC10合金TLP扩散焊接头组织与基体相同,由γ+γ′网状组织和少量碳化物组成,接头980℃持久强度超过128MPa,达到基体强度的80%以上。TLP扩散焊接头经过高温长时间使用后,接头室温、高温抗拉强度与基体更接近;室温抗拉断口以准解理形貌为主,高温抗拉断口以韧窝形貌为主。

IC10合金的高温拉伸性能

利用力学测试与模拟试验机测得了IC10合金在很宽的温度范围(25~900℃)和不同应变速率(10-5~10-2s-1)下的应力-应变曲线,对曲线进行了分析;用扫描电子显微镜对试样的断口进行了分析。结果表明:室温下IC10合金的流变应力对应变速率不太敏感,而在900℃下对应变速率非常敏感;比较各温度下材料的屈服强度可以发现,当温度低于(含)800℃时,IC10合金的力学性能与室温下相当,而在更高的温度(900℃)下力学性能有所下降;在低于(含)800℃时断口主要以穿晶断裂为主,在900℃下主要为韧窝聚集型断裂,随着温度的增加,断口上韧窝更大、更深、更多。

EB-PVD热障涂层对IC10合金高温持久性能的影响

采用电弧离子镀技术在IC10合金基体上制备N iCrA lYS i粘结层,采用电子束物理气相沉积(EB-PVD)技术在粘结层上制备YSZ陶瓷面层,研究TBCs涂层对IC10合金高温持久性能的影响。结果表明,IC10合金沉积TBCs涂层后,980℃高温持久寿命高于IC10合金,持久塑性略高于基体合金,IC10合金沉积TBCs涂层后,对高温持久性能无不良影响,满足使用要求。

IC10合金热机械疲劳性能与寿命预测

600-1100℃时对IC10合金进行同相位、反相位、135°相位和-135°相位的应变控制热机械疲劳实验。发展了一种三参数幂函数能量方法的寿命预测方法，并用于材料的热机械疲劳寿命预测。对Manson-Coffin方程、拉伸迟滞能模型（Ostergren）、基于微裂纹扩展模型的能量方法和三参数幂函数能量方法热机械疲劳寿命预测能力进行评估，结果表明：材料的热机械疲劳应力-应变滞后回线的形状与温度-机械载荷之间的相位角有关；温度-机械载荷之间的相位角对材料的热机械疲劳性能有一定的影响；三参数幂函数能量方法物理意义明确，形式简单，寿命预测结果分布在2倍的分散带内，可以用来预测IC10合金的热机械疲劳寿命。

IC10合金本构关系的神经网络模型

为研究IC10合金在不同温度、不同应变率下的流变规律,本文利用材料试验机（MTS809）测得IC10合金在很宽的温度范围（25-800°C）和不同应变率（10^-5-10^-2s^-1）内的应力-应变曲线。试验结果表明,在小于800°C及小应变率条件下IC10合金的流变行为表现为应变硬化。基于试验数据,本文建立了IC10合金本构关系的BP神经网络模型,该模型以应变值、应变率及温度作为输入量,流变应力为输出量。与试验结果比较表明,BP神经网络模型的预测精度较高,说明该模型可以精确地预测IC10合金在不同温度、不同应变率下的流变行为。

NiCrAlYSi涂层对IC10合金力学性能的影响

采用电弧离子镀技术在IC10合金基体上制备出厚度为30μm的NiCrAlYSi涂层,研究NiCrAlYSi涂层对IC10合金拉伸、持久、疲劳性能的影响。结果表明,IC10合金沉积NiCrAlYSi涂层后,在980℃,200MPa高温持久寿命与IC10合金相当,在900℃的高温抗拉伸强度σb、屈服强度σ0.2、延伸率δ和面缩率ψ与基体相比,基本保持不变;室温抗拉伸强度σb。屈服强度σ0.2与基体相比稍有下降,在800℃,447MPa疲劳寿命与基体合金相当,即IC10合金沉积NiCrAlYSi涂层后,对IC10合金力学性能基本没有影响,满足使用要求。

钎焊循环对IC10合金TLP扩散焊接头高温持久性能影响

研究了钎焊循环对过渡液相扩散焊(TLP)接头高温持久性能的影响。结果表明:钎焊循环对IC10合金TLP扩散焊接头高温持久性能没有不利影响。IC10合金TLP纵向焊接接头在980℃/100 h的持久强度达到母材相应强度的87%,IC10合金TLP横向接头在980℃/100 h持久强度为120 MPa,达到母材同样条件下持久强度的92%。钎焊循环对TLP扩散焊接头断口形貌影响不大,宏观断口形貌均呈现细小凸凹,高倍微观断口呈现韧窝形貌,表明IC10合金接头为韧性断裂。

IC10合金的动态回复/再结晶本构行为研究

对IC10合金在1073~1373K范围内、不同应变率下开展了拉伸试验研究,试验结果表明:IC10合金在1073K附近表现出明显的动态回复力学特征,在1173~1373K范围内则表现出明显的动态再结晶特征。通过透射电子显微镜对试验样品进行观察,研究了IC10合金变形机理,结果表明,在1073~1373K范围内,IC10合金变形过程中螺位错和刃位错可动性相当,并在γ′相边界逐步形成一些胞状亚晶结构。最后,将工程中应用广泛的Sellars模型应用于描述IC10合金在1073~1373K范围内、不同应变率下的力学行为,预测结果与试验结果的平均相对误差值不超过5%。

IC10合金热障涂层的界面结合强度研究

采用IC10作为基体制备双层结构热障涂层,并对有、无涂层的试样进行了氧化循环试验.采用洛氏硬度计和努氏硬度计研究其界面结合力.结果表明,随着热循环时间的增加,有涂层和没有涂层的试样均有明显的增重,对于IC10高温合金,在1373K进行热循环,经过600 h后,其氧化增重大约为0.9 mg/cm2,而有粘结层的试样,其氧化增重大约为0.46 mg/cm2;有TBCs的试样,其氧化增重大约为0.42 mg/cm2.以IC10为基体的双层结构热障涂层在1373K下的热循环寿命为810 h,基体中的元素Mo、W、Ha和Ta向粘结层中少量的扩散.采用两种硬度压痕法对界面结合强度进行检测,结果表明,以IC10为基体的双层结构热障涂层的界面结合强度较高,但结合力随热循环时间的延长而下降.

IC10合金TLP扩散焊接头拉伸性能研究

TLP扩散焊技术是IC10合金涡轮导向器叶片关键制造工艺之一,TLP扩散焊接头性能直接影响着IC10合金涡轮导向器叶片的使用性能。钎焊工序是继TLP扩散焊工序之后叶片的又一制造工艺,TLP扩散焊对接接头性能及经历了钎焊工序的TLP扩散焊接头性能如何,是文中研究的重点内容。研究发现:IC10合金TLP扩散焊接头性能优良,对接接头横向室温屈服强度R_(p0.2)达到母材相应强度的98%,对接接头纵向室温屈服强度R_(p0.2)达到母材相应强度的89%;IC10合金TLP扩散焊对接接头横向高温抗拉强度达到母材相应强度的99%,对接接头纵向高温抗拉强度达到母材相应强度的98.6%。经历了钎焊循环的TLP扩散焊接头室温和高温拉伸强度均没有明显降低,与TLP扩散焊接头性能相当。

IC10合金TLP扩散焊技术与应用研究

IC10合金是Ni3Al基金属间化合物,它具有优异的高温性能.用研制的镍基中间层合金KNi-1、KNi-2、KNi-3进行了TLP连接试验,发现中间层合金的铝含量对接头组织有明显影响.还对接头进行了高温拉伸、高温持久等测试,获得接头强度达到基体强度80%的TLP扩散焊接技术.

IC10合金涡轮叶片叶身不同部位取样的力学性能试验

为评估服役前IC10合金涡轮叶片不同部位的真实材料力学性能,与《航空发动机设计用材料数据手册》中采用标准试棒获得的性能数据进行对比。在选取的新叶片的叶身尾缘、叶背和叶盆处沿叶高方向完成小尺寸的工字形试验件取样,通过优化设计的工装在保证加载同轴度和安装一致性的基础上进行单轴加载试验,即900℃拉伸试验以及900℃、342/374 MPa的持久寿命试验。试验结果表明:试样均在平行段断裂,符合试验设计要求;相比于手册中标准试棒的测试数据,试样的抗拉强度下降约20%,持久寿命缩短达76%~85%;不同叶身部位的原始组织形貌相似,试样性能差别不大;应力提高会导致取样的持久寿命明显降低,其中盆侧取样的降低幅度最大,约64%。相比于标准试棒,叶身的本体取样兼具了铸造叶片的晶体取向和薄壁特征,在一定程度上可以真实反映叶片的力学性能,为客观评价IC10合金涡轮叶片材料力学性能奠定了基础。

B含量对IC10合金TLP焊接用中间层材料及接头组织的影响

以母材成分为基、以硼为降熔元素配制了3种中间层材料,并对中间层和焊缝的组织进行了研究。结果表明,在B含量为1.6%-3.2%范围内,随着B含量的增加,中间层材料中硼化物数量增多,组织细化,均匀性提高。1 270℃保温1 h的对接接头组织观察表明,中间层材料的B含量越高,焊缝中心共晶区宽度越小,共晶区硼化物断续分布,数量减少,焊缝中γ＇相的数量增多,尺寸增大。

IC10高温合金大间隙钎焊接头组织与力学性能研究

针对航空发动机涡轮热端部件的焊接制造需求,开展了定向凝固高温合金IC10的大间隙钎焊工艺研究。结果表明,采用Ni-Nb-W-Co-Cr-Al合金钎料在不同间隙内预填高温合金粉末,在1225℃/30 min钎焊条件下可获得冶金质量良好的IC10合金大间隙钎焊接头。当钎焊间隙为0.2 mm时,接头在980℃/75 MPa下的平均持久寿命为44.56 h,随钎焊间隙增大,接头高温持久寿命逐渐下降。从接头断口分析来看,接头中的脆性化合物相为薄弱相,易萌生裂纹,从而诱发断裂。

新型高温合金IC10的焊接研究进展

IC10合金是一种在航空领域很有应用前景的新型铸造高温合金。本文介绍了该合金的真空钎焊、TLP扩散焊的研究进展情况,重点分析了我国目前在研的IC10合金导向叶片产生明显电子束焊接裂纹敏感性的原因,并指出了改善电子束焊接工艺参数、填丝合金化和焊后热处理等解决方案。

IC10单晶高温合金室温和750℃高周疲劳行为

在涡轮叶片服役过程中,疲劳是其失效的重要原因之一,而已有研究主要针对不同应变速率下IC10合金1 100℃低周疲劳性能展开,本文研究定向凝固IC10单晶高温合金静态空气介质环境下室温和750℃高周疲劳性能。在应力比R=-1、f≈83.3Hz条件下,进行高周疲劳试验,并利用扫描电镜对疲劳断口进行观察;基于试验观测结果,讨论室温和750℃下IC10单晶高温合金高周疲劳性能差异的内在机制。结果表明:IC10单晶室温疲劳强度为288 MPa,750℃疲劳强度为416 MPa;裂纹萌生于试样表面或近表面缺陷处,断口主要由裂纹萌生区、稳态扩展区和组成。