<111>取向小角偏离对一种镍基单晶高温合金蠕变性能的影响
Influence of Small Misorientation from <111> on Creep Properties of a Ni-Based Single Crystal Superalloy
通讯作者: 宫声凯,gongsk@buaa.edu.cn,主要从事镍基单晶高温合金的研究
收稿日期: 2019-04-01 修回日期: 2019-05-22 网络出版日期: 2019-08-28
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Corresponding authors: GONG Shengkai, professor, Tel:
Received: 2019-04-01 Revised: 2019-05-22 Online: 2019-08-28
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作者简介 About authors
胡斌,男,1992年生,博士生
采用籽晶法制备偏离<111>取向不同角度的镍基单晶高温合金试样。研究了合金在760 ℃、650 MPa下小角偏离对蠕变性能的影响。结果表明, <111>取向附近合金的蠕变性能具有显著的小角偏离敏感性。偏离角度较小的<111>取向合金试样的蠕变寿命最长,蠕变过程中位错主要分布在γ通道内,随着取向偏离度增加,合金的蠕变寿命显著下降。且沿着[
关键词:
Single crystal nickel-based superalloys have been widely used in high temperature structural materials applications including blade parts of aero-engines and gas turbines due to their excellent mechanical properties in service. Although commercial single crystal superalloy blades are in [001] orientation, misorientation deviations are inevitable in industrial productions and work blades frequently have to endure complex stress states caused by their complicated shapes and temperature gradients. Therefore, it is of great significance to study the creep behavior of single crystal superalloys with different orientations for the design of engine blades. The anisotropic creep properties of a nickel-based single crystal superalloy with different orientations near <111> were investigated under 760 ℃ and 650 MPa. It is found that specimens with the smallest deviation from <111> orientation exhibit best creep strength because of the relatively low Schmid factors of both {111}<110> and {111}<112> slip systems. With the increase of orientation deviate from [
Keywords:
本文引用格式
胡斌, 李树索, 裴延玲, 宫声凯, 徐惠彬.
HU Bin, LI Shusuo, PEI Yanling, GONG Shengkai, XU Huibin.
Mackay和Maier[6]对MAR-M247合金在774 ℃、724 MPa下持久性能的研究表明,[111]取向合金的持久寿命最长,并且在[001]取向附近,沿[001]-[011]边界样品持久性能好于沿[001]-[
图1
图1
试样A~E晶体取向在标准立体投影三角形中的位置
Fig.1
Orientations of specimens A~E, plotted within the standard triangle of the stereographic projection
1 实验方法
实验所用的镍基单晶高温合金的名义成分(质量分数,%)为:Al 6.5~7.5,Cr 1.5~2.5,Mo 7~9,Re 0.5~1.5,Ta 1.5~2.5,Ni余量。采用籽晶法定向凝固制备了正的[111]取向及[111]往[001]与[011]方向分别偏离10°、20°左右的单晶试棒,分别命名为试样A~E,采用Laue背反射方法测定晶体取向,结果如图1所示。
将所制备的单晶试棒经1300 ℃、4 h+1320 ℃、6 h、风冷(AAC)固溶处理与1100 ℃、2 h、AC+870 ℃、32 h、空冷(AC)时效处理后,加工成标距为25 mm,直径为5 mm的标准蠕变试样,在760 ℃、650 MPa下进行蠕变性能测试。将蠕变不同阶段试样沿不同晶面抛开,经研磨抛光后用20 mL HCl+20 mL H2O+5 g CuSO4对其进行腐蚀,并采用Quanta 200F场发射扫描电镜(SEM)观察组织形貌。将蠕变断裂试样沿不同位置抛开,经研磨与振动抛光后采用Quanta 200F场发射SEM进行电子背散射衍射(EBSD)测试以研究蠕变过程中的晶体取向偏转。将蠕变断裂及中断试样沿不同晶面切割制备成直径3 mm、厚度50 μm的圆片,经离子减薄后使用Tecnai F20场发射透射电镜(TEM)观察位错组态,研究不同晶体取向合金的变形机制。
2 实验结果
2.1 蠕变性能
不同取向合金在760 ℃、650 MPa下的蠕变性能测试结果如表1所示。可见,合金在<111>取向附近蠕变性能表现出了明显的取向偏离敏感性,最接近正的<111>取向的样品A的蠕变寿命最长,随着取向偏离度增加,合金的蠕变寿命逐渐下降,相对于偏离约4°的A样品,偏离10°左右的样品B和D蠕变寿命分别下降一半左右。而当偏离度进一步增加到20°左右时,沿不同方向偏离的样品蠕变寿命下降程度表现出了明显差异,[
表1 不同晶体取向试样在760 ℃、650 MPa条件下的蠕变性能
Table 1
Specimen | Orientation | Rupture life h | Total strain % | ||
---|---|---|---|---|---|
θ / (°) | ρ / (°) | Deviation from [ | |||
A | 51.0 | 37.9 | 4.2 | 111.3 | 24.3 |
B | 45.5 | 37.9 | 10.4 | 58.2 | 30.5 |
C | 31.2 | 34.8 | 22.5 | 46.0 | 38.2 |
D | 49.0 | 30.0 | 9.6 | 63.1 | 28.0 |
E | 48.0 | 19.4 | 19.2 | 7.2 | 51.6 |
在760 ℃、650 MPa下试样A~E的蠕变曲线如图2所示。可以看出,在<111>取向附近,合金在蠕变各个阶段都表现出了较高的蠕变速率,对应着较弱的加工硬化。随着取向偏离度增加,沿不同边界偏离的样品,蠕变行为存在明显差异,对比样品B和D的蠕变曲线表明,虽然二者蠕变寿命相近,但在蠕变初始阶段,沿[
图2
图2
760 ℃、650 MPa下沿不同方向偏离的样品A~E的蠕变曲线
Fig.2
Creep curves of specimens A~E with different orientations after creep test at 760 ℃ and 650 MPa
2.2 组织演变与取向偏转
图3为试样A经标准热处理后沿(01
图3
图3
试样A经标准热处理后沿(01
Fig.3
Schematic and SEM image of specimen A
(a) position of longitudinal section on (01
镍基单晶高温合金在蠕变过程中,试样轴向会向着滑移方向发生偏转,为了进一步研究不同晶体取向合金的蠕变变形机制,采用EBSD法对偏离<111>取向不同角度的样品B~E蠕变前后的晶体取向进行了测量,取向偏转结果如图4a所示。表明随着蠕变过程的进行,沿[
图4
图4
试样B~E晶体取向倾转示意图与试样C距断口不同距离处组织形貌的SEM像
Fig.4
Lattice rotations of specimens B~E after creep rupture (a) and SEM images of specimen C after creep test at 760 ℃ and 650 MPa with distances from fracture surface 1 mm (b), 3 mm (c), 6 mm (d) (Square areas in Figs.4b and c show the twin structures and arrow in Fig.4c indicates the direction of applied stress)
3 分析与讨论
对于<111>取向合金,当取向偏离度较小,即在相对较正的<111>取向的样品中,由于3个γ通道是等价的,具有相同的应力分布。同时,<111>取向在{111}<112>滑移系的Schmid因子相对较低,只有0.314,因而蠕变过程中{111}<112>滑移系难以开动,变形主要由{111}<110>滑移系控制,在3个γ通道内均匀发生[14,15]。图5a为试样A在蠕变20 h中断条件下的位错组态。可见,位错主要集中在γ通道内,只有少量位错切入γ'相,同时在样品中没有观察到层错产生。这种γ通道内均匀变形机制使得试样A在蠕变过程中几乎不产生加工硬化,蠕变过程在进入蠕变第三阶段之前没有明显区别,蠕变曲线近似一条直线,如图2所示。
图5
图5
试样A、B和D蠕变中断条件下位错组态的TEM像
Fig.5
TEM images for different creep stages in specimens A, B and D after creep test at 760 ℃ and 650 MPa
(a) specimen A after creeping 20 h (b) specimen B after creeping 10 h (c) specimen B after creeping 35 h (d) specimen D after creeping 5 h
在蠕变孕育期,变形主要由{111}<110>八面体滑移系控制,表2为偏离<111>取向不同角度的试样B~E在{111}<110>滑移系与{111}<112>滑移系的Schmid因子。可见,对于沿[
表2 不同取向试样{111}<110> 与{111}<112>滑移系的Schmid因子
Table 2
Specimen | {111}<110> slip system | Schmid factor | {111}<112> slip system | Schmid factor |
---|---|---|---|---|
B | (111)[ | 0.350 | (111)[ | 0.369 |
(11 | 0.350 | (11 | 0.369 | |
C | (111)[ | 0.422 | (111)[ | 0.394 |
(11 | 0.422 | (11 | 0.394 | |
D | (111)[1 | 0.371 | (111)[ | 0.428 |
(111)[ | 0.371 | |||
E | (111)[1 | 0.423 | (111)[ | 0.488 |
(111)[ | 0.423 |
图5b为试样B在蠕变10 h中断条件下的位错组态。可见,在蠕变孕育期,位错主要集中在γ通道中,几乎没有位错切入γ'相。当γ通道内位错累计到一定程度,分解产生的a/3<112>位错开始切入γ'相,进入初期蠕变阶段。试样B在蠕变35 h中断条件下的位错组态如图5c所示。可见,γ'相中观察到了层错产生,{111}<112>滑移系开始占据主导地位,而此时的γ通道内的位错密度不足以阻碍<112>位错切割γ'相,因此样品B在进入蠕变第一阶段时表现出了较高的初期蠕变速率,随着γ通道内位错不断增殖,样品B随后产生了一定程度的加工硬化,但此时应变量已达到10%,因而难以产生稳定的稳态蠕变过程,样品迅速进入蠕变第三阶段并发生断裂。
图6
图6
[111]取向沿不同方向偏离的Schmid因子
Fig.6
Maximum Schmid factors of {111}<110> and {111}<112> slip systems for different orientations deviate from <111>
(a) {111}<110> deviate along [
(b) {111}<112> deviate along [
沿[
相对于样品D,样品E偏离度更大,且具有最低的蠕变寿命,如图2所示,沿[
4 结论
(1) <111>取向镍基单晶高温合金在760 ℃、650 MPa下的蠕变性能表现出了明显的小角偏离敏感性,随着取向偏离度增加,合金的蠕变寿命显著下降,且沿着[
(2) <111>取向偏离度较小时,位错主要集中在γ通道内,变形在3个γ通道均匀发生,蠕变过程中没有观察到层错出现,几乎不产生加工硬化,由于在2个滑移系上都具有较低的Schmid因子,因而有着最长的蠕变寿命。
(3) 沿[
(4) 沿[