镍基单晶高温合金低周疲劳损伤的相界面微结构演化与本构模型研究

Complex microstructural evolution （including dislocations, slip bands, faults, twins, dislocation networks and their interactions, etc.）will occur at the γ/γ' interface in Ni-based single crystal superalloys during low cycle fatigue, and eventually leads to fatigue fracture failure of superalloys. The interfacial microstructure evolution and fatigue failure behavior of Ni-based single crystal superlloys during low cycle fatigue are investigated in this project. At first, a detailed and systematic simulation is performed to observe the features of interfacial microstructure evolution under cyclic loading by using molecular dynamics simulation-based cohesive zone model, and combined with experimental observations to reveal the evolution laws of interfacial microstructure and the micromechanisms of fatigue failure. Next, the change of the internal stress field in the process of microstructure evolution is calculated in order to construct an atomistically informed flow rule. Finally, the micromechanism-based fatigue failure constitutive model is constructed based on crystal plasticity and atomistically informed flow rule, then the fatigue behavior and fatigue life of Ni-based single crystal superalloys are investigated and the main factors of fatigue failure are determined. This project provides a theoretical basis for the fatigue failure and service cycle of turbine blades, and provides theoretical supports for further development and applications of Ni-based single crystal superalloys.

镍基单晶高温合金在低周疲劳过程中，γ/γ' 相界面会发生复杂的微结构演化（包括位错、滑移带、层错、孪晶、位错网及其交互作用等），并最终导致合金的疲劳断裂失效。本项目针对镍基单晶高温合金低周疲劳过程中相界面微结构的演化特征和疲劳失效行为进行研究，首先采用分子动力学结合原子内聚力模型在原子尺度开展系统全面的循环变形过程中相界面微结构演化特征的模拟，并结合实验观察揭示微结构的演化规律及疲劳失效的微观机理；接着计算界面微结构演化过程中原子内部应力场的变化，建立包含微结构演化信息的原子流动准则，引入晶体塑性模型，进而建立考虑相界面微观演化机制的疲劳损伤本构模型，对合金的疲劳力学性能及疲劳寿命进行研究，探讨控制合金疲劳失效的主要因素，为航空发动机涡轮叶片的疲劳失效和服役周期提供理论依据，并为镍基单晶高温合金的进一步发展和应用提供理论支撑。

镍基单晶高温合金具有优异的蠕变、疲劳、氧化及腐蚀抗力等综合性能，是目前制造先进航空发动机和工业燃气轮机叶片的主要材料，叶片在服役过程中反复承受着高温高压气体的冲刷，以及发动机启动、停机和变速时叶片周围环境温度的大范围变化而导致的热应力，这些极端恶劣的循环载荷导致涡轮叶片发生低周疲劳破坏。合金在低周疲劳过程中，会发生复杂的相界面微结构演化，并最终导致合金的疲劳断裂失效。本项目针对镍基单晶高温合金低周疲劳过程中相界面微结构的演化特征、γ' 沉淀相的定向粗化及疲劳失效行为进行研究。主要成果如下：（1）原子尺度上探明了不同取向、循环载荷和温度条件下镍基单晶高温合金循环变形机理及疲劳失效机制，并获得了不同取向、载荷和温度条件下界面位错及位错网形貌与演化规律及微结构演化时的应力场变化特征，为今后类似研究提供参考。(2) 建立了循环加载过程中γ' 定向粗化行为模拟的相场模型，并建立了界面位错和位错网演化同 γ' 定向粗化之间的内在联系及界面微结构演化过程中原子内部应力场的变化。（3）发展了考虑γ' 沉淀相定向粗化的弹塑性本构模型及合金疲劳损伤失效的细观本构模型，探明了界面位错及位错网的演化对合金疲劳力学性能的影响，同时探讨了Re元素在镍基单晶高温合金疲劳行为中的重要作用,揭示了合金疲劳抗力与疲劳损伤失效的微观本质，探明了控制合金疲劳失效的主要因素，为航空发动机涡轮叶片的疲劳损伤机制、损伤容限的设计和服役周期提供理论依据，并为镍基单晶高温合金的进一步发展和应用提供理论支撑。