近服役条件下空间几何特征与晶体取向耦合作用对单晶高温合金损伤机制的影响研究

To meet the demand of the development of advanced areo-engine, a third generation Ni-base single crystal superalloy was directly solidified into thin wall specimens with different thickness, different secondary dendrite orientations without machining. Scanning Electronic Microscope, Electronic Backscattered Diffraction, Electro Probe Micro-analyzer, Surface Profile Analyzer, Focused Ion Beam, Transmission Electronic Microscope and 3D X-ray Computed Tomography was employed to study: (1) Effect of structure (thin wall, cooling holes), crystal orientation (secondary dendrite orientation) and the combined effect of structure and crystal orientation on the high temperature, intermediate temperature creep behaviors; (2) Establish a data base of structure, crystal orientation and creep property; (3) Draw an atlas of the relationship among structure, crystal orientation and creep behaviors of the single crystal superalloy. The creep mechanisms of single crystal superalloys with different structures, secondary dendrite orientations will be clarified, which will set light on the optimization of secondary dendrite orientation during manufacturing of single crystal blades with complex structures.

本项目以先进航空发动机发展需求为背景，选用第三代镍基单晶高温合金，采用籽晶法无余量定向凝固不同厚度、不同二次枝晶取向的薄壁试样，利用扫描电子显微镜、电子背散射衍射技术、电子探针、表面形貌分析仪、聚焦离子束、透射电子显微镜、三维X射线成像技术等检测分析设备，研究近服役环境条件下，结构与取向耦合作用对第三代镍基单晶高温合金薄壁试样蠕变性能及损伤机制的影响。主要包括：（1）结构（薄壁、孔）、取向（主要指二次枝晶取向）以及结构与取向耦合作用对中温、高温蠕变性能及损伤机制的影响；（2）建立结构、取向与蠕变性能关系数据库；（3）绘制结构与取向耦合作用对蠕变性能影响图谱。本项目将揭示近服役环境条件下结构与取向耦合作用对单晶高温合金蠕变性能影响的本质原因，为先进航空发动机用复杂结构单晶叶片制备过程中二次枝晶取向的择优选取提供理论依据。

本项目以先进航空发动机发展需求为背景，选用我国自主研发的第三代镍基单晶高温合金DD33，采用籽晶法无余量定向凝固不同厚度、不同二次枝晶取向的薄壁试样，利用扫描电子显微镜、电子背散射衍射技术、电子探针、表面形貌分析仪、聚焦离子束、透射电子显微镜、三维X射线成像技术等检测分析设备，研究近服役环境条件下，结构与取向耦合作用对第三代镍基单晶高温合金薄壁试样蠕变性能及损伤机制的影响。主要包括：（1）结构（薄壁、孔）、取向（主要指二次枝晶取向）以及结构与取向耦合作用对中温、高温蠕变性能及损伤机制的影响；（2）建立结构、取向与蠕变性能关系；（3）绘制结构与取向耦合作用对蠕变性能影响图谱。.研究结果显示：（1）二次枝晶取向对薄壁单晶试样性能影响显著。样品表面氧化、变形对二次枝晶取向的名感性、裂纹的萌生与二次枝晶取向的关系等是导致差异的主要原因。（2）孔的存在改变应力状态，显著降低合金性能，并且，对不同二次枝晶取向的样品降低幅度不同。这主要与样品表面氧化、快速扩散通道与表面的相对位置、滑移系的相对位向关系等密切相关。（3）建立了典型的取向—结构—蠕变性能关系图谱。揭示了二次枝晶取向对典型性能影响规律，提出单晶叶片的制备过程中二次枝晶取向控制的重要性及必要性。（4）针对实际叶片结构以及服役环境复杂多变的情况，后续还需要进行大量实验及分析，补充数据，完善图谱，更好地为单晶叶片生产服务。.本项目的研究结果对我国先进单晶叶片制备过程中，在几乎不提高成本的前提下，提升叶片的使用性能以及安全稳定性奠定理论基础。但该成果的推广应用尚需要结合更接近叶片使用状态的实验结果，并且需要获取大量的实验数据，这将是一个系统庞大的工程。届时将对我国单晶叶片制备产生系统的颠覆性的指导。