镍基单晶高温合金筏化-解筏机理及全寿命描述模型研究

镍基单晶高温合金广泛应用于先进航发的涡轮叶片，该类合金的强化机理是呈立方体的γ′相均匀地共格在基体γ相中。在高温应力作用下，γ′相发生筏化-解筏现象，这种现象伴随着变形失效的全过程。对γ′相筏化-解筏现象的定量研究是镍基单晶高温合金力学性能和应用研究的核心。本项目针对航空发动机镍基单晶涡轮叶片及其工作状态，开展γ′相筏化-解筏机理和全寿命描述模型的研究：分析温度、晶体取向、多轴应力状态及蠕变-疲劳-热循环交互复杂载荷状态等关键因素的影响，结合相场模拟方法、分子动力学方法以及晶体塑性有限元方法等理论研究，得到各种状态下筏化-解筏全过程机理的定量描述；基于晶体塑性理论，建立得到广泛验证的筏化-解筏的全寿命描述模型，给出模型参数标定方法，完成相应的有限元程序开发。最终建立具有一般意义的筏化-解筏理论体系，应用于工程实际，解决单晶叶片的强度和寿命问题。

镍基单晶高温合金为目前航空发动机叶片的主要材料，它的高温服役性能和寿命对发动机整体寿命和经济性能具有重要影响。镍基高温合金之所以具有好的高温性能，和其微观结构及其演化密不可分。对该材料进行研究，需要从细微观结构的演化出发，以便从根本上理解影响其性能的机理。在高温和载荷作用下，镍基单晶高温合金中规则的立方体沉淀相发生筏化，并且这种筏化受到温度、晶体取向、应力状态等因素的影响。本研究采用国产镍基单晶高温合金材料，对沉淀相的筏化解筏机理进行了研究。进行了温度、应力水平、复杂应力状态及蠕变-疲劳交互作用下的大量试验研究，采用扫描电镜对试样的微观组织形貌进行了详细分析。通过抽样统计得到基体相通道水平宽度在不同蠕变时间阶段的概率密度函数，结合寿命曲线分析得到了基体相水平宽度与蠕变时间之间的定量关系。采用有限元分析、分子动力学模拟及相场分析等数值分析手段对试验现象进行了模拟和分析，进一步揭示了镍基单晶高温合金的筏化解筏机理及对材料性能的影响。在此基础上，考虑材料变形过程中的筏化解筏变化及损伤特点，建立了蠕变本构模型、疲劳-蠕变本构模型及相应的寿命模型。结合商用有限元软件ABAQUS，实现了模型的程序化，并进行了疲劳寿命以及蠕变-疲劳寿命的计算。模拟计算结果与试验结果对比表明，提出的本构模型以及寿命模型可以模拟温度、晶体方向、复杂应力状态的影响，可以较准确的对镍基单晶高温合金的力学行为进行表征和预测。