论文部分内容阅读
作为航空发动机和地面燃气轮机中涡轮叶片、涡轮盘等重要热端部件用材料，镍基单晶高温合金SRR99制成的单晶叶片常会出现晶界，从而影响其使用性能，而变形高温合金又面临着提高承温能力和提高热加工性能不能兼顾的问题。最近在原变形高温合金的基础上，通过适当提高合金中Co和Ti含量而开发出了新型Ni-Co基高温合金,这种合金不但拥有良好的高温性能，还具有更大的热加工窗口。本文以SRR99镍基双晶高温合金和新型Ni-Co基高温合金为研究对象，系统地研究了取向差对双晶合金的力学性能、裂纹形核与扩展行为的影响，合金元素及实验参数对变形高温合金在拉伸、压缩和疲劳变形过程中的变形机制，微观组织演化及力学性能的影响，得到的主要结论如下: (1)原位拉伸实验发现，SRR99双晶的屈服强度不但与晶界取向差有关，也与晶界形状和晶界碳化物含量有关，增加晶界取向差和碳化物含量，提高平行晶界比例均会有效地提高合金屈服强度。SRR99双晶的裂纹萌生和扩展方式受取向差控制，2°双晶中滑移带能连续贯穿亚晶界而扩展，随着滑移带的不断扩展和粗化，裂纹会沿着滑移带形成并扩展。取向差大于10°的晶界均会阻碍滑移带穿过，滑移带对晶界的不断撞击导致裂纹沿着晶界形成。裂纹萌生后，在10°双晶中，主要沿着晶界处萌生的滑移带扩展;在16°～24°双晶中，完全沿着晶界扩展。SRR99双晶取向差为10°时，强度最高但塑性差，大于10°后，晶界易于开裂，因此在制备SRR99单晶时，应该把晶界取向差控制在10°以内，这样才能排除晶界对力学性能的不利影响。 (2)压缩实验发现，13Co和20Co高温合金，在25和400℃下均以位错滑移和层错剪切共存的方式变形，在725℃和高应变速率下，合金变形机制不变，而在725℃和低应变速率下，两合金中均会形成纳米晶。与一般fcc金属不同的是，高温合金中的纳米晶倾向于在高温低应变速率下形成，降低合金层错能会提高合金中纳米晶含量，这些弥散分布的纳米晶颗粒能够强化合金，使20Co合金的强度表现出负的应变速率敏感性。纳米晶的形成过程为:变形引起的高密度位错缠结或位错胞演化为亚晶粒;随后，亚晶粒内部会形成不同取向的变形微孪晶，并把亚晶粒细化成纳米尺寸;最后这些细小的亚晶粒会转化为含有大角晶界的纳米晶晶粒。 (3)拉伸实验发现，在25和400℃下，Co含量增加即层错能降低会引起高温合金抗拉强度不断提高，但合金均匀延伸率基本不变。在这两种较低温度下，合金的微观变形机制均以层错剪切为主。在650和725℃下，层错能降低不但可以提高合金的抗拉强度也能提高合金的均匀延伸率，产生同步强韧化的效果。在这两种较高温度下，合金的主要微观变形机制为微孪生。在较低温度下，随着合金层错能降低，合金中层错间距不断减小，层错长度不断增加;而在较高温度下，随着层错能降低，合金中的微孪晶间距也不断减小，孪晶长度也不断增加。降低层错能会促进合金中的层错和微孪晶密度，两者对合金的力学性能影响不同，前者仅能提高镍钴基高温合金强度，而后者能够引起同步强韧化。 (4)650℃下低周疲劳实验发现，与拉伸变形不同，增加Co含量即降低层错能，并不能使合金的疲劳寿命不断提高，3种高温合金的△εp-2Nf关系曲线在塑性应变幅为0.1％时存在交点，交点以下时，在相同应变幅下合金疲劳寿命随着Co含量增加先升高后降低，交点以上时，在相同应变幅下合金疲劳寿命随着Co含量增加而升高。随着层错能降低，合金的循环应力不断增加。在较低应变幅下，3种合金表现出循环稳定现象，在较高应变幅下，表现出循环软化现象。层错能降低会促进循环稳定出现，而延迟循环软化出现。循环稳定是位错-位错和位错-γ相引起的强化与超点阵位错或层错剪切γ相引起的弱化相平衡的结果。循环软化与层错切割γ相引起弱化有关。随SFE降低，在较低应变幅下，3合金变形机制差别不明显，均为γ基体位错缠结+少量超位错切割γ相;在较高应变幅下，变形机制由平面滑移位错带转变为γ基体内高密度位错缠结+层错剪切γ相。