服役工况下镍基单晶高温合金的损伤机制研究进展

为提高镍基单晶叶片服役寿命、解决发动机和燃气轮机的关键核心技术,近年来国内外持续开展了大量针对镍基单晶高温合金服役情况下损伤与失效机制的研究。从实际服役条件出发,总结了镍基单晶高温合金疲劳、蠕变和热机械疲劳损伤机制等研究成果与进展。此外,针对大量实验造成的时间与成本增加问题,还总结了近年来在镍基单晶高温合金的寿命预测方法方面的研究工作与成果,并提出了目前在镍基单晶高温合金寿命评估与失效分析研究方面所面临的困难和挑战。

镍基单晶合金高温氧化的动力学特征

通过对镍基单晶合金高温氧比后的组织结构观察和内氧比层深与循环氧比质量变比动力学曲线 的测定．研究了合金的高温氧比特性，结果表明：在大气环境条件下．无保护涂层合金发生明显的氧比和内氧化：在近异形大颗粒内氧比物处出现贫Ａｌ区．使区内γ’强比相消失：内氧比层的深度随时间的变比服 从抛物线规律．外加拉伸应力使内氧比加剧，在循环氧比初期， 由于形成以Ａｌ为主的氧化膜易剥落．质量 变比动力学曲线表现出较快的减重趋势：合金在２０～８０ ｈ的循环氧比期间，在１０４０℃和１０７０℃分别 呈较缓的增、减重趋势。

NiCoCrAlYSi涂层对镍基单晶合金高温氧化特性的影响

通过对有/无NiCoCrAlYSi涂层镍基单晶合金高温氧化后的组织结构观察与分析、及等温循环氧化质量变化动力学曲线测定,研究了有/无涂层合金的高温氧化特性。结果表明:在高温氧化期间,无涂层合金表层发生明显的氧化和内氧化,在异形大颗粒内氧化物附近出现贫Al区,使区内γ′相消失;元素贫化区尺寸随时间的变化服从抛物线规律;无涂层合金经不同温度循环氧化具有不同的动力学特征,1040℃循环氧化表现的较大增减重波动幅度的原因是元素Al和Cr的交替选择性氧化;涂层合金经不同温度循环氧化后无明显失重特征,该涂层可有效改善合金的抗氧化性能。

循环频率对CMSX—3单晶合金高温疲劳行为的影响

利用MTS材料试验系统和光学金相、SEM、TEM等分析手段研究了镍基单晶高温合金CMSX—3的高温疲劳行为 ,重点探讨了循环频率对这种行为的影响。结果表明 ,循环频率的增加会导致合金高温疲劳寿命的下降及不同的变形机制。

高温高频疲劳条件下应力幅值对CMSX-3单晶合金寿命的影响

研究了镍基单晶高温合金CMSX 3的高温高频疲劳行为,重点探讨了应力幅值对这种行为的影响。结果表明,应力幅值的增加会导致合金高温疲劳寿命的下降及使变形机制改变。

基于扫描电镜原位高温疲劳测试方法研究

本文基于自主研发的扫描电子显微镜原位高温拉伸平台,测试样品高温疲劳性能。通过控制恒定应力加载,设计拉-拉疲劳实验,实时观察到纳米尺度疲劳微裂纹萌生扩展过程的微观结构演变过程,得到了高分辨、高放大倍数的实时序列SEM图像,成功实现1000℃高温原位疲劳测试,对于研究纳米尺寸结构材料的高温疲劳失效微观机制有重要意义。

DD6单晶涡轮叶片热机综合疲劳试验研究

针对涡轮叶片考核部位的寿命问题,介绍了DD6单晶涡轮叶片热机疲劳试验方法。通过设计感应线圈进行高频感应加热,实现某一工作状态下涡轮叶片考核截面温度场模拟,同时使用U型铁氧体精细调节温差;通过设计的二位移调节机构控制拉伸载荷,实现涡轮叶片考核截面由离心载荷和气动载荷引起的应力场模拟。在保证内冷空气流量的条件下,进行了DD6单晶涡轮叶片热机疲劳试验,实现了涡轮叶片寿命预测方法的试验验证,同时为工程设计提供了试验依据。

应变幅对一种新型镍基单晶高温合金高温低周疲劳性能的影响

对一种新型镍基单晶高温合金在不同应变幅(0.7%~1.2%)下进行760℃高温低周疲劳试验,探讨了应变幅对合金低周疲劳行为的影响,分析了其疲劳塑性变形特点和疲劳断裂机制。结果表明:随着应变幅的增加,合金的低周疲劳寿命缩短,循环软化程度显著降低;当应变幅为0.7%,0.8%时,位错在与应力轴垂直的基体通道中的平面滑移及位错滑移带的形成是疲劳变形的主要方式,疲劳裂纹起源于合金内部缩孔处,断口形貌的主要特征是疲劳解理台阶和撕裂棱,断裂机制为解理断裂;当应变幅为1.0%,1.2%时,位错剪切γ′相粒子及层错的出现是合金变形的主要特征,裂纹起源于合金表面应力集中的滑移带或显微疏松位置,裂纹在{111}滑移面上沿〈110〉方向扩展,断口形貌的主要特征是锯齿台阶和河流花样,断裂机制为解理断裂。

超温对DD6单晶高温合金组织及高周疲劳性能影响

为了研究超温对DD6单晶高温合金组织及高周疲劳性能的影响,对标准热处理的DD6合金进行1200℃/1 h、1200℃/50 MPa/1 h 2种条件高温短时热处理以模拟超温过程。采用SEM观察标准热处理、1200℃/1 h、1200℃/50 MPa/1h条件下的合金组织,在旋转弯曲疲劳试验机上测试了上述3种条件合金的高周疲劳性能。结果表明:1200℃/1 h的超温使DD6合金的γ'相尺寸稍微增大,立方化及均匀化程度明显降低,基体通道区域析出少量细小二次γ'相,γ/γ'相界面出现锯齿化现象;1200℃/50 MPa/1 h的超温使DD6合金γ'相尺寸增大,立方化及均化化程度明显降低,基体通道显著变宽,基体通道区域析出大量细小二次γ'相,γ'相产生了轻微的定向粗化;1200℃/1 h的超温使合金高周疲劳性能降低,1200℃/50 MPa/1 h的超温的合金高周疲劳性能与标准热处理合金的相当,合金800℃条件下的疲劳断口呈类解离断裂特征。

单晶高温疲劳损伤参量的选取与寿命建模

高温疲劳损伤是引起单晶涡轮叶片破坏的主要因素之一。利用不同试验条件下DD6标准试件的低周疲劳和蠕变-疲劳试验结果,结合基于滑移系的黏塑性应力-应变分析,分别研究了晶体取向、应变范围、平均应变以及保载时间等对单晶高温疲劳损伤的影响机制。进而采用滑移剪应变最大的滑移系作为临界滑移系,选取临界滑移系上的最大Schmid应力、最大滑移剪应变率、循环Schmid应力比以及滑移剪应变范围等细观参量作为损伤参量,建立了一种新的基于临界平面的循环损伤累积(CDA)模型。结果表明,该模型对于DD6高温疲劳寿命预测精度基本在3倍分散带内。