Ni3Al基单晶高温合金薄壁效应基础研究

Ni3Al base single crystal alloy has great potential for engineering application due to its advantages of low density, high mechanical properties and so on. Thin-wall behavior of the single crystal superalloys is an important factor to impede its engineering application. The mechanical properties of the single crystal alloys will be significantely decreased by the thin-wall behavior. And now the blade and vane of advanced aero-turbine are compicated and thin-walled in shape.Therefore this project is important for the engineering application of the Ni3Al base single crystal alloys.In the present study the single crystal growing law of thin wall or variable cross-section specimen of the Ni3Al base single crystal superalloys will be verified by computer simulation and exprimental methods to reveal the influence mechanism of size effect on single crystal growing controlling parameters,such as the temperature field, morphology of solid-liquid interface,thermal flow direction and so on,and the relation between the size effects and single crystal integrity will be deduced. Studying the the effect of thin-wall behavior and single crystal integrity on the stress rupture, creep,fatigue mechanical properties, and Studying the the effect of surface status,such as oxide scale,coating,roughness on the mechanical properties to achieve the failure machnism of thin-walled specimens of Ni3Al base single crystal alloy.On the basis of the above investigation the controlling method for the thin-walled behavior of Ni3Al base single crystal alloys will be proposed, which may be uefull for the engineering application of Ni3Al base single crystal alloy.

Ni3Al基单晶合金具有低密度、高强度等优点，是先进航空发动机涡轮叶片理想的候选材料。先进航空发动机涡轮叶片具有薄壁、内腔与外形复杂等特点，单晶合金的薄壁效应十分显著，目前Ni3Al基单晶合金薄壁效应的研究在国内还是空白，本项目针对这一问题开展研究具有重要的应用价值。项目拟采用计算机模拟与实验相结合的方法研究Ni3Al基单晶合金薄壁与变截面试样的单晶生长规律，阐明尺寸效应对定向凝固温度场、固液界面形貌、热流方向等单晶生长控制参数的影响机理，建立尺寸效应与合金单晶完整性的关系；研究Ni3Al基单晶合金尺寸效应和单晶完整性对持久、蠕变、疲劳等主要力学性能的影响机制，研究Ni3Al单晶合金薄壁试样表面状态，如氧化膜、涂层和粗糙度等对力学性能的影响机制，建立Ni3Al基单晶合金薄壁样品的失效模式，实现Ni3Al基单晶合金复杂薄壁叶片的单晶生长可控，为Ni3Al基单晶合金工程化应用奠定坚实的基础。

Ni3Al基单晶合金具有低密度、高强度等优点，是先进航空发动机涡轮叶片理想的候选材料。先进航空发动机涡轮叶片具有薄壁、内腔与外形复杂等特点，单晶合金的薄壁效应十分显著，目前Ni3Al基单晶合金薄壁效应的研究在国内还是空白，本项目针对这一问题开展研究具有重要的应用价值。设计了不同类型的变截面薄壁样品，对其充型及凝固行为展开了研究，与厚壁相比，当壁厚减小到0.6mm已经产生了部分欠铸，但是通过更改浇注方式以及设计变截面可以避免欠铸，但是对于壁厚0.2mm的试样，达到了合金充型的最小壁厚。壁厚与单晶的生长及取向生长没有明显影响。单纯考虑壁厚变化,随着样品尺寸减小，一次枝晶间距减小，且枝晶间和枝晶干偏析减小。在变截面样品中，薄壁试样容易受到遗传历史和外界环境影响，从而造成枝晶生长行为发生改变。薄壁固液界面形貌与厚壁没有明显区别，但是热流方向对薄壁的试样枝晶生长行为影响更大；研究了Ni3Al基单晶合金尺寸效应对持久、蠕变力学性能的影响机制，应力应变行为对于不同壁厚发生改变，从而使得合金在薄壁试样更容易产生应力集中，导致在较大应力下，产生蠕变孔洞，蠕变孔洞处产生裂纹使得合金失效，且薄壁的氧化层使得合金的整体成分发生变化，尤其是Mo的挥发，虽然抗氧化性能提高，但是合金强度下降。.研究了Ni3Al单晶合金薄壁试样表面状态，氧化膜、涂层对合金的抗氧化性能影响。发现薄壁的抗氧化性能比厚壁更好，0.1mm试样氧化对其芯部组织产生明显影响，但是当壁厚增大到0.3mm时，其芯部组织不受氧化影响。薄壁试样的涂层相对于厚壁更应该控制二次反应区的厚度以及对基体组织的影响，设计了两种涂层Pt+Al和单纯渗Al，发现通过预先镀Pt可以减小二次反应区，而且氧化对基体的组织影响很小，而直接渗Al明显产生了r’-reduced 的区域。单一渗铝试样的增重趋势较为明显，增重曲线基本符合抛物线规律，△w^2=kt而镀Pt后渗铝试样在氧化循环增重一直较为稳定。