第三代单晶高温合金超高温蠕变二三阶段转变机制研究

To meet the demand of the development of advanced engines, untra-high temperature creep of a third generation Ni-base single crystal superalloy was studied. Electronic Backscattered Diffraction, Scanning Electronic Microscope, 3D X-ray Computed Tomography, Transmission Electronic Microscope, High Resolusion Transmission Electronic Microscope, 3D Atom Probe, Focused Ion Beam were employed to study: (1) Effect of temperature and stress on the ultra-high temperature creep behaviors of a third generation Ni-base superalloy; (2) Transformation mechanisms of the second and the third stages of ultra-high temperature creep; and (3) Establish a data base of macrostructure, microstructure and the dislocations. The ultra-high temperature creep mechanisms of single crystal superalloys will be clarified, which will help the safe and stable application of high generation single crystal superalloys.

本项目以先进发动机发展需求为背景，选用第三代镍基单晶高温合金，采用电子背散射衍射、扫描电子显微镜、高分辨X射线三维成像技术、透射电子显微镜、高分辨透射电子显微镜、原子探针、聚焦离子束等检测分析设备，研究第三代单晶高温合金超高温蠕变机制，重点揭示超高温蠕变二三阶段转变本质原因。主要包括：（1）温度、应力对第三代单晶高温合金超高温蠕变性能及机制影响；（2）二三阶段快速转变的本质原因及其临界条件确定；（3）建立三代单晶合金超高温蠕变不同阶段宏观组织——微观组织——位错组态对应关系数据库。本项目将揭示超高温蠕变过程中二三阶段快速转变的本质原因，为先进单晶合金材料数据库积累数据，为合金的安全、稳定应用奠定理论基础。

本项目以先进发动机发展需求为背景，选用第三代镍基单晶高温合金，采用电子背散射衍射、扫描电子显微镜、高分辨X射线三维成像技术、透射电子显微镜、高分辨透射电子显微镜、原子探针、聚焦离子束等检测分析设备，研究第三代单晶高温合金超高温蠕变机制，重点揭示超高温蠕变二三阶段转变本质原因。主要研究结果如下：.（1）较低温度时，稳态蠕变变形受控于界面位错攀移和非致密超位错滑移+攀移，而在较高温度下（1150 ℃）则受控于界面位错和致密超位错的攀移运动。铸孔、蠕变孔、碳化物相关孔洞以及氧化层（裂纹和孔洞）共同造成了DD33合金超高温蠕变断裂失效。每个温度下，可能存在一个或几个蠕变断裂的主导因素。.（2）稳态蠕变阶段，纵截面上的超位错分布数量随应力增大而减小，这与界面位错网的间距变化有关。不同应力下超高温蠕变断裂仍与大量孔洞包括铸孔和蠕变孔的开裂、裂纹相互联结密切相关。相较于小尺寸裂纹，大尺寸裂纹附近应力集中程度更大，滑移系更易开动，因而其扩展速度也更快。此外，氧化影响区、碳化物以及TCP相在蠕变断裂中的作用也需要考虑。.（3）从宏观角度考虑，二三阶段发生转变可能不是由合金内部孔洞引起的。从位错角度考虑，二三阶段转变与蠕变变形机制的变化可能密切相关。较高温度条件下，从稳态阶段到加速阶段a<010>超位错始终对蠕变变形有重要贡献，这种情况下更易使稳态应变到达临界点，从而向加速阶段过渡。因此，尽管高温下拓扑反转程度更低，但二三阶段转变更快。.（4）本课题建立了不同温度和应力条件下超高温蠕变不同阶段宏观组织——微观组织——位错组态对应关系的图谱。.本项目研究了温度、应力对超高温蠕变变形、断裂机制的影响，揭示了超高温蠕变过程中二三阶段快速转变的本质原因，为先进单晶合金材料数据库积累数据，为合金的安全、稳定应用奠定理论基础。