<001>取向偏离度对单晶高温合金热机械疲劳性能的影响及其机理研究

Based on the practical problems of loading axis off <001> during manufacture and service, misorientation anisotropy of thermal-mechanical fatigue property of single-crystal superalloy was brought out. All specimens were made of Rene N5 alloy, which is extensively being used all over the world and will be utilized in china.The behaviors and mechanisms of misorientation anisotropy were investigated using the single crystal specimens with different angle off <001> （including angle off [001]and [010]for one specimen）. The formation conditions of stress relaxation, tension yield and deformation twins were emphasized through changing the deformation parameters and specimens misorientation off <001>. The relationship of deformation and fracture mechanism were founded by anlysing the fracture morphology and deformation microstructure. The slip systmes were identified by analyzing dislocation vectors and lattice rotation. The formation mechanisms of different twins were investigated through slip systems and stacking faults analysis.The condition and deformation mechanism of anisotropy induced by misorientation off <001> during thermal-mechanical fatigue deformation were clarified, according to which the reliability in operation and failure analysis of single-crystal superalloy used for turbine blades were supported.

从单晶涡轮工作叶片制备与服役时面临的受力偏离<001>的实际问题，提炼出单晶高温合金热机械疲劳性能取向差各向异性的科学问题。以在国外大量使用并在国内具有广泛应用前景的Rene N5合金为研究对象，制备与<001>取向具有系列取向差（考虑偏离[001]和[010]）的单晶试棒，研究取向差对热机械疲劳性能的影响规律及作用机理。通过改变形变参数，研究不同偏离度下应力松弛、拉伸屈服及形变孪晶的形成条件。通过对断裂形貌和微观结构的分析，建立变形与断裂机制之间的关系。通过位错理论和晶格转动分析，确定滑移系类型。通过滑移系和层错类型来探求不同形貌孪晶的形成机理。澄清取向差影响单晶高温合金热机械疲劳各向异性的条件与作用机理，为涡轮叶片用单晶高温合金的可靠使用及失效分析提供新依据。

单晶镍基高温合金是一种不可替代的涡轮叶片材料。发动机性能提高使得热机械疲劳成为叶片的重要失效方式。工程上均选用综合性能优异的<001>作为叶片轴向，并要求合格叶片的取向偏离应小于15°。然而各向异性是单晶高温合金的本征特性，研究15°以内的取向偏离度与力学性能的关系具有十分重要的意义。研究表明即使在偏离度小于15°时其性能在一定的变形条件下仍具有显著的各向异性。.本项目制备了5种在偏离度小于15°内具有不同取向的单晶高温合金Rene N5样品。在MTS810型热机械疲劳试验机上进行测试，变形温度循环为400-900℃，应变幅为0.5-1.0%，循环应变比为-1，载荷保持时间为30-90分钟。开展了四个方面的内容：①热机械疲劳行为；②压缩应力松弛及其形成机理；③动态拉伸屈服及其形成机理；④位错、层错、孪晶等形变缺陷与各向异性关系及其形成机理。结果表明：.随着取向偏离度的增大，疲劳寿命显著的降低；循环硬化和较小的滞后环面积有利于单晶合金的抗热机械疲劳能力；当无压缩保持时间或拉伸屈服时，取向偏离度显著影响热机械疲劳寿命。晶体取向偏离度增大则启动的滑移系数量减少，层错和孪晶的形成数量也相应减少。取向对合金断裂机制有显著影响。.随着压缩载荷保持时间延长，循环应力逐渐增大而寿命缩短，应力松弛和松弛应力也增大；强化相形筏且孪晶交互作用显著增加；样品外表面出现明显的变形带。压缩应力松弛越大则拉伸屈服强度减小；取向偏离度增大后瞬时拉伸屈服强度减小，动态屈服是由位错交互作用导致。尽管在不同载荷保持时间下的应力松弛水平有很大变化，但松弛前主要变形组织均为基体的位错和层错变形，之后以孪晶及其交互作用为主。.随着拉伸应变幅增大，拉伸应力也相应增加，热机械疲劳的循环应力逐渐增大，热机械疲劳寿命缩短；载荷保持阶段的应力松弛和松弛应力变化不明显；基体层错变形增多而形变孪晶组织的变化不明显，发生了晶格转动。随着最大拉应力增加，孪晶交互作用减弱，位错变形显著增多，甚至出现了少量位错对剪切强化相的现象。瞬时拉伸导致的应力集中和孪晶交互作用的微裂纹扩展是主要的失效方式。 . 本项目通过研究不同变形阶段组织来理解滑移系启动与失效方式关系，为涡轮叶片用单晶高温合金的可靠使用及失效分析提供依据。