张金虎 许海生 郭辉 李学雄 徐东生 杨锐. 外加应力下单晶高温合金中γ'相筏化的相场模拟研究[J]. 金属学报, 10.11900/0412.1961.2024.00121.

摘要 相关文章 Metrics 全文: PDF(2183 KB)   摘要: 镍基单晶高温合金是制造先进航空发动机叶片的关键材料。在服役过程中，合金在外加应力作用下的微观结构变化会显著影响其疲劳和蠕变性能。然而，仅依靠实验方法难以细致表征外加应力对显微组织影响的动态过程，利用计算模拟手段研究外加应力对单晶高温合金中γ'相筏化的影响具有明显优势。本文依据外加应力类型判断γ基体内所开动具体滑移系情况并计算其本征塑性应变，模拟了外加应力下镍基单晶高温合金中γ'相筏化组织的形成过程，并对镍基单晶高温合金筏化过程的微观组织演变规律进行了研究。重点考察了蠕变初期γ通道内的塑性应变对筏化组织形成的影响。研究发现，外加正应力载荷下产生的塑性应变使得γ'相沿特定方向择优生长，是发生γ'相筏化的主要原因，且晶格间错配度直接决定了其筏化类型(N型与P型)；γ'/γ界面上(如{001}面)的位错间距可显著影响γ'相的形貌(长/宽-高比例)，但并不影响γ'相的生长动力学及相同演化时间步下的γ'相体积；与外加正应力不同，外加剪切应力载荷时筏化组织粗化方向与水平方向约呈30°或60°夹角，这与激活的滑移系密切相关。此外，不同组合的滑移系可使得γ通道发生扭折的现象。本研究将为深入理解镍基单晶高温合金筏化形成原因及微观组织调控提供模型与数据基础。 关键词 ： 外加应力,  高温合金,  筏化,  相场法,  弹塑性     Abstract：Nickel-based single-crystal superalloys are critical materials for manufacturing advanced aircraft engine blades. During operation, microstructural changes in alloys under the applied stress significantly influence their fatigue and creep performances. However, relying solely on experimental methods poses challenges in capturing the dynamic processes by which the applied stress affects the alloy microstructure. Utilizing computational simulations to study the impact of the applied stress on the rafted γ¢ phase in single-crystal superalloys offers distinct advantages. In this study, specific slip systems activated within the γ matrix are identified based on the type of the applied stress and their intrinsic plastic strain is calculated. The simulation models the formation of rafting under the applied stress and investigates the evolution of the microstructure during the rafting process in nickel-based single-crystal superalloys. This study focuses on the effect of plastic strain within γ channels on the formation of the rafting morphology during the early stages of creep formation. Plastic strain generated under externally applied tensile stress promotes the preferential growth of γ′ precipitates along specific directions, which is the primary cause of γ′ rafting. Moreover, the lattice misfit directly determines the type of rafting (N-type or P-type). The spacing of dislocations at the γ′/γ interfaces, such as along {001} planes, significantly affects the morphology (aspect ratio) of γ′ precipitates but does not influence the growth kinetics or volume of γ′ precipitates at a given time step. In contrast to tensile stress, shear stress induces rafting microstructure coarsening at angles of approximately 30° or 60° relative to the horizontal direction, closely associated with activated slip systems. Additionally, different combinations of slip systems can result in the distortion of γ channels. This study provides a model and data that can serve as a foundation for enhancing the understanding of rafting formation mechanisms and the microstructural control in nickel-based single-crystal superalloys. Key words： Applied stress    Superalloys    Rafting    Phase field method    Elastoplasticity 收稿日期: 2024-04-25      基金资助:国家重点研发计划 服务 把本文推荐给朋友 加入引用管理器 E-mail Alert RSS 作者相关文章 张金虎 许海生 郭辉 李学雄 徐东生 杨锐 44.8K 链接本文: https://www.ams.org.cn/CN/Y0/V/I/0 [1] 白如圣, 谭毅, 崔弘阳, 宁莉丹, 崔传勇, 王云鹏, 李鹏廷. 电子束熔炼功率对GH4068合金微观组织、偏析和 γ′相析出行为的影响[J]. 金属学报, 2024, 60(9): 1189-1199. [2] 刘彩艳, 冯泽华, 张云鹏, 余康, 吴璐, 马聪, 张静. Fe-Cr合金气泡演化动力学的相场法模拟[J]. 金属学报, 2024, 60(9): 1279-1288. [3] 王京京, 姚志浩, 张鹏, 赵杰, 张迈, 王蕾, 董建新, 陈迎. 镍基高温合金中S元素对基体与热障涂层界面稳定性的影响[J]. 金属学报, 2024, 60(9): 1250-1264. [4] 曹姝婷, 赵剑, 巩桐兆, 张少华, 张健. Cu含量对K4061合金显微组织和拉伸性能的影响[J]. 金属学报, 2024, 60(9): 1179-1188. [5] 王延绪, 龚武, 苏玉华, 李昺. 中子表征技术在金属结构材料研究中的应用[J]. 金属学报, 2024, 60(8): 1001-1016. [6] 刘金来, 孙晶霞, 孟杰, 李金国. 一种第三代单晶高温合金的组织稳定性与持久性能[J]. 金属学报, 2024, 60(6): 770-776. [7] 曾立, 王桂兰, 张海鸥, 翟文正, 张勇, 张明波. 电弧微铸锻复合增材制造GH4169D高温合金的显微组织与力学性能[J]. 金属学报, 2024, 60(5): 681-690. [8] 凡莉花, 李金临, 孙九栋, 吕梦甜, 王清, 董闯. Cr/Mo/W元素对镍基高温合金γ/γ′共格组织热稳定性的影响[J]. 金属学报, 2024, 60(4): 453-463. [9] 刘丞济, 孙文瑶, 陈明辉, 王福会. 放电等离子烧结Ni20Cr-xAl合金的高温氧化行为[J]. 金属学报, 2024, 60(4): 485-494. [10] 谭子昊, 李永梅, 王新广, 赵浩川, 谭海兵, 王标, 李金国, 周亦胄, 孙晓峰. 一种第四代镍基单晶高温合金的同相位热机械疲劳行为及损伤机制[J]. 金属学报, 2024, 60(2): 154-166. [11] 刘静, 张思倩, 王栋, 王莉, 陈立佳. Ta对一种抗热腐蚀镍基单晶高温合金长时热暴露组织和蠕变性能的影响[J]. 金属学报, 2024, 60(2): 179-188. [12] 龙江东, 段慧超, 赵鹏, 张瑞, 郑涛, 曲敬龙, 崔传勇, 杜奎. GH4151镍基高温合金 μ 相中的基面层错[J]. 金属学报, 2024, 60(2): 167-178. [13] 刘悦, 姚文轩, 刘大晖, 丁琳, 杨正伟, 刘微, 于涛, 施思齐. 高质量文本数据驱动的命名实体识别加速镍基单晶高温合金材料知识发现[J]. 金属学报, 2024, 60(10): 1429-1438. [14] 杨俊杰, 张昌盛, 李洪佳, 谢雷, 王虹, 孙光爱. 拉伸-扭转复合加载对镍基高温合金GH4169力学性能与变形机理的影响[J]. 金属学报, 2024, 60(1): 30-42. [15] 宫声凯, 刘原, 耿粒伦, 茹毅, 赵文月, 裴延玲, 李树索. 涂层/高温合金界面行为及调控研究进展[J]. 金属学报, 2023, 59(9): 1097-1108. Viewed Full text Abstract Cited   Shared      Discussed