高温氧化对粉末高温合金微观结构和疲劳性能影响研究

为了探究涡轮盘用粉末高温合金表面氧化对其低周疲劳性能的影响,分别针对第三代镍基粉末高温合金的粗晶(Coarse grain,CG)和细晶(Fine grain,FG)材料开展氧化时间对其疲劳性能影响机理的研究。通过在700℃空气环境下开展不同时长的高温预氧化实验和低周疲劳(Low-cycle fatigue,LCF)实验,使用SEM和EDS表征LCF断口、表面氧化层结构成分及其强化相形貌变化,揭示LCF裂纹萌生机理。实验结果表明,氧化层厚度随氧化时间而增加,氧元素以氧化侵入的形式进入基体;相同氧化时间下,CG抗氧化性能优于FG;疲劳裂纹萌生于氧化侵入和亚表面夹杂物等应力集中部位,在实验温度下LCF寿命受氧化作用和夹杂物共同影响;高温氧化作用下氧化层呈现分层结构,外层为NiO,中间层为含有Cr_(2)O_(3),TiO_(2)等复杂氧化物及尖晶石相(NiCr_(2)O_(4))的混合层,内层为Al_(2)O_(3);CG二次γ’相氧化后平均尺寸增加,FG二次γ’相平均尺寸没有明显的变化,但两种组织氧化后在晶界附近均观察到长条状的二次γ’相,表明高温氧化作用下晶界优先遭到破坏。

铸造镍基高温合金M963的高温低周疲劳行为

对铸造镍基高温合金M963在900℃下的低周疲劳行为进行了研究,实验采取轴向总应变控制,应变速率分别为4×10^(-3)s^(-1)和1×10^(-4)s^(-1)．结果表明:在相同的总应变幅下,合金在低应变速率下具有较低的寿命,这归因于与时间相关的机制如氧化的损伤作用．疲劳断面以及纵向剖面的SEM分析表明,疲劳裂纹通常萌生于试样表面或亚表面的碳化物或铸造缺陷处．而当应变速率较低时,某些裂纹会在试样表面的枝晶间区域萌生．两种应变速率下疲劳裂纹开裂均呈穿晶形式．

K40S钴基高温合金的高温低周疲劳行为 Ⅰ.疲劳性能

研究了K40S钴基高温合金在700℃和900℃温度条件下由应变控制的高温低周疲劳行为.对循环应力-应变数据和应变-疲劳寿命数据进行了分析,进而给出了K40S合金在此温度范围的疲劳参数.结果表明:与传统X-40合金相比,K40S合金具有优异的抗高温低周疲劳性能;合金的应力-应变响应行为在700℃时,呈现为循环强化,而在900℃时,为初期强化随后软化,且随着总应变幅的增加,强化效果均增强.上述行为归因于循环形变过程中位错-位错;位错-析出相及固溶原子间的相互作用.

M38镍基高温合金高温低周疲劳性能及断裂机制

对铸造镍基高温合金M38在900℃下的低周疲劳行为进行了研究.采取轴向总应变控制,应变比为-1,应变速率为1×10^(-2) s^(-1).实验结果表明:M38在900℃下具有与IN738LC接近的疲劳性能.在高应变幅时,疲劳裂纹主要萌生在表面碳化物等应力集中处;在低应变幅时,氧化对裂纹的萌生起重要作用,疲劳裂纹主要萌生于与试样表面相连的易氧化的富Cr晶界处和富Ti的碳化物处,在所有应变幅下,疲劳裂纹均沿垂直应力轴的方向穿晶扩展.

铸造Ni基高温合金K417的高温低周疲劳行为

研究了铸造Ｎｉ基高温合金Ｋ４１７在６５０—９００℃温度范围内总应变控制条件下的低周疲劳性能和断裂行为．对应变－寿命数据和循环应力－应变数据进行了分析，进而给出了Ｋ４１７合金在不同实验温度下的应变疲劳参数．合金在循环形变过程中可表现为循环硬化、循环软化或循环稳定，而具体呈现何种循环应力响应行为则主要取决于实验温度和外加总应变幅．疲劳试样断日表面的扫描电子显微分析结果表明，疲劳裂纹通常萌生于铸造缺陷处。

DZ40M合金高温低周疲劳性能及其断口分析

测定了定向凝固钴基高温合金DZ40M900℃低周疲劳性能并观察了疲劳断口．结果表明：DZ40M合金具有较高的抗高温低周疲劳性能；疲劳裂纹起源于试样表面优先氧化的碳化物，基体中骨架状分布的碳化物阻滞裂纹扩展；氧化不仅促进疲劳裂纹的形成，而且加速了裂纹扩展DZ40M合金的高温疲劳破坏是机械疲劳与环境氧化双重作用所致.

GH4169镍基高温合金的高温低周疲劳性能

对国产GH4169镍基高温合金进行了总应变控制的高温低周疲劳试验,研究了其疲劳性能,分析了断口形貌。结果表明:试验合金具有较好的高温低周疲劳性能,与进口Inconel 718镍基合金的相近,但在较低的总应变范围下比Inconel 718合金的疲劳寿命要低;该合金在不同总应变范围下都表现出明显的循环软化行为;合金试样的疲劳断口呈多裂纹源性,疲劳源数量随总应变范围的降低和疲劳寿命的延长而减少;疲劳裂纹都萌生于表面,穿晶扩展到一定径向深度时,会出现沿晶扩展特征。

FGH96镍基高温合金的高温低周疲劳断裂机理研究

研究了FGH96镍基高温合金在550,720℃条件下应变控制的高温低周疲劳断裂机理。结合断口宏微观观察和位错组织结构观察,探讨了FGH96合金疲劳行为的微观机理,并建立了扩展区面积和疲劳寿命的定量关系,结果表明:FGH96合金的断裂特征以穿晶解理为主;合金在较高温度下具有较低的疲劳寿命是与氧化损伤和合金的塑性变形密切相关;应变幅较小时(<0.6%左右),温度对合金的疲劳寿命起主导作用,氧化损伤效应明显;位错密度在较高的应变幅下比在较低的应变幅下高得多,较高应变幅下,位错发生了交滑移甚至是攀移运动;合金的疲劳断口扩展区面积与疲劳寿命存在线性对数关系。

磷对GH984G高温低周疲劳性能的影响

在部分镍基高温合金中加入适量磷可以有效提升材料的高温持久蠕变性能,本文对四种磷含量的镍基高温合金GH984G进行了高温低周疲劳试验。结果表明:随着磷含量增加,GH984G高温低周疲劳寿命呈现先升高再降低的趋势。适量磷使合金晶内硬度增大,晶界处大块MC碳化物变少,变形孪晶数量增加,疲劳源数量减少,材料循环软化程度下降,裂纹扩展受阻,进而提升疲劳寿命。过量磷的加入使GH984G合金的晶粒尺寸变大,二次裂纹数量增多,不利于疲劳寿命。

镍基合金K435高温低周疲劳寿命预测研究

概述高温低周疲劳寿命预测模型,对新型铸造镍基高温合金K435金在900℃下进行了低周疲劳试验,用各种预测公式对试验结果进行拟合,并对塑性应变能和幂指函数公式进行了改进,改进公式的拟合效果优于未改进的公式,尤其是改进的塑性应变能公式在文中所有的预测公式中精度最高。研究结果为燃气涡轮叶片的寿命预测提供了技术支持。

Haynes 230镍基超合金高温低周疲劳寿命预测

针对Haynes 230镍基超合金进行总应变控制的高温低周疲劳试验。结果表明,在816℃和927℃时,材料在较高应变范围内表现出循环硬化/软化行为,在较低的应变范围内表现出循环硬化/饱和行为。一般来说,疲劳寿命随着温度的提高而降低。然而,在总应变范围高于1.0%时,由于在半寿命时927℃比816℃有较小的塑性应变幅,从而导致了疲劳寿命在927℃时比在816℃时更长。选用Manson-Coffin方程和能量法进行了疲劳寿命预测,并采用方差和分散带因子两个参量对两种模型的预测能力进行比较,结果表明Manson-Coffin方程的预测效果较好。

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。

高温低周疲劳损伤对FGH96合金力学性能影响

通过设计FGH96粉末高温合金的高温低周疲劳试验和高温单轴拉伸试验,研究了不同应力水平下高温低周疲劳损伤对合金力学性能的影响,结合对断口形貌的观察和成分分析,分析了合金力学性能改变的微观机理。结果表明,受疲劳载荷作用期间位错运动的影响,合金的屈服强度、抗拉强度在损伤前期表现出上升的趋势;损伤后期,随着材料内部裂纹的不断增多及扩展,合金的弹性模量、抗拉强度不断退化。合金力学性能的变化与疲劳加载的应力水平表现出明显的相关性。断口显微组织分析表明,随着损伤程度的增加,合金高温拉伸断裂模式由韧性逐渐向脆性转变,高温氧化加速了断裂模式的转变。

激光修复成形GH4169/GH738高温合金的性能研究

采用激光修复技术和GH4169合金粉末,在GH738合金基材试块上制备激光成形修复件,对其进行固溶+双时效热处理。对试块进行了高温持久和高温低周疲劳性能试验,观察试样断口形貌并分析断裂机理。结果表明:激光修复GH4169/GH738合金的组织结合处冶金质量良好,呈现向外连续生长的柱状晶组织;在650℃、690 MPa下进行持久试验,修复试样晶界析出Laves相,导致裂纹的萌生,与晶界分离形成微观空洞,同时气孔促进了裂纹的扩展,为穿晶和沿晶的混合韧性断裂模式。在455℃下进行低周疲劳试验,发现疲劳裂纹源于表面和气孔,以河流状花样向中心扩散,拓展区存在疲劳辉纹,为解理和穿晶两种断裂模式。采用GH4169合金粉末修复可满足常规铸锻GH738合金性能要求。

一种镍基高温合金的低周疲劳性能

研究了一种镍基高温合金在不同温度下的低周疲劳性能,分析了疲劳断口。结果表明,该合金循环应力响应行为表现出对温度和外加总应变幅很强的依赖关系,不同的循环应力响应行为可归因于位错、强化相和合金元素间复杂的交互作用。合金疲劳寿命与温度、外加总应变幅、氧化损伤程度有关。疲劳断裂行为受外加应变幅和氧化影响很大。