同步辐射衍射研究Ru在第四代单晶高温合金热机械疲劳裂纹萌生中的作用

Service damage is one of the most important factors for the safety of single crystal superalloy components, and thermomechanical fatigue is an effective method to simulate the service damage. According to the literature and our previous work, it is found that twins formed easily and resulted in the initiation of cracks during the process of thermomechanical fatigue of high generation single crystal superalloys. As a characteristic element of the fourth generation single crystal superalloy, the role of Ruthenium (Ru) in the thermomechanical fatigue crack initiation of the fourth generation single crystal superalloy is not clear. Therefore, this project plans to investigate the influence of Ru on the lattice misfit and stacking fault energy by using synchrotron radiation X ray diffraction technology, and then the effect of Ru on the gamma prime, dislocation network and the formation and propagation of twins, and the relationship between the microstructure evolution and crack initiation during the process of thermomechanical fatigue of single crystal superalloy will be comparatively studied, in order to reveal the effect of Ru on the initiation of cracks during the process of thermomechanical fatigue of the fourth generation single crystal superalloy. On one hand, this project will enrich and develop the thermomechanical fatigue mechanism of single crystal superalloys. On the other hand, this project will establish the theoretical basis for the composition design and application of single crystal superalloy.

服役损伤是单晶高温合金安全使用必须考虑的问题，热机械疲劳是一种有效的模拟服役损伤的实验方法。综合文献报道和申请人前期工作发现，高代次单晶高温合金热机械疲劳过程中容易产生孪晶而导致裂纹萌生，这可能与不同合金元素的作用有关。作为第四代单晶高温合金的标志性元素，钌（Ru）在第四代单晶高温合金热机械疲劳裂纹萌生中的作用如何，目前尚不清楚。因此，本申请拟采用同步辐射X射线衍射技术研究Ru 对堆垛层错能和点阵错配度的影响，进而对比研究Ru对单晶高温合金热机械疲劳过程中γ'、位错网和孪晶形成和扩展的影响，以及上述组织演化与裂纹萌生的关系，确定Ru在第四代单晶高温合金热机械疲劳萌生中的作用。本项目的完成，一方面丰富和发展现有的单晶高温合金热机械疲劳机制，另一方面为单晶高温合金的成分设计及工程化应用奠定理论基础。

发动机反复启动和停机将同时经受温度和应力的往复变化，将对叶片造成热机械疲劳（TMF）损伤。Ru是第四代单晶高温合金的标志性元素，关于Ru对热机械疲劳损伤的作用，目前尚无报道。本项目研究了Ru对单晶高温合金组织、错配度、层错能和热机械疲劳行为的影响，进一步地，从热机械疲劳组织演化角度，研究了Ru对热机械疲劳裂纹萌生和扩展的作用。本项目主要结果如下：.1) Ru元素的添加降低了铸态组织中γ’体积分数，但对γ’的尺寸几乎没有影响。.2) Ru元素的添加显著提高了合金的基体强度，增加了位错形成和运动的阻力，提高了合金在TMF过程中的塑性变形抗力，使合金拥有较长的TMF寿命。.3) Ru元素的添加使合金在TMF过程中于表面产生连续氧化层，且不易脱落，延缓了表面裂纹的萌生。表面氧化层覆盖的区域提供了裂纹萌生的位点，而较多的后期形成的较小尺寸的短裂纹分担了变形过程中的塑性损伤。.4) Ru元素的添加降低了合金的层错能，提高了合金高温错配度，较低的层错能以及较大的错配应力促进合金基体层错的形成。.5) Ru元素的添加抑制了孪晶的形成，减少了裂纹沿孪晶萌生的几率。较少的孪晶数量降低了合金的剪切变形，同时也抑制了裂纹沿孪晶面的快速扩展。此外，较少的孪晶数量也减少了合金中局部的塑性应变集中，抑制了合金中再结晶的生成，从而减少裂纹扩展，提高TMF性能。.6) 提高热处理温度，降低了合金的组织稳定性，这与基体体积分数减小导致基体中Re含量增高有关。.7) PtAl涂层提高了单晶高温合金的抗热腐蚀性能，可能对热机械疲劳性能有益。.本项目的研究，明确了 Ru元素对氧化、层错、再结晶和孪晶形成的影响，并进一步获得氧化、层错、再结晶和孪晶与热机械疲劳裂纹萌生和扩展的关系，阐明了Ru对单晶高温合金热机械疲劳机理的影响。本项目的研究，将丰富单晶高温合金热机械疲劳机理，指导单晶高温合金的热处理工艺设计，还将为单晶高温合金的成分优化设计和工程化应用奠定理论基础。