第二取向对第三代镍基单晶高温合金含圆孔板式试样裂纹萌生及扩展的影响

Single crystal (SX) blade is the most important component for advanced areoengine. Due to the complex structure and the processing of directionally solidification randomly distributed secondary orientation blade was produced. Therefore, it is necessary to study the effect of secondary orientation on the mechanical properties of SX superalloys. Surface Profile Analyzer, Electronic Backscattered Diffraction, ARAMIS optical 3D Deformation Analysis and Transmission Electron Microscope was employed to study: (1) Microstructure evolution, crack initiation and propagation around round holes during thermal fatigue test in SX superalloy with different secondary orientation; (2) Stress and strain distribution around round holes during tensile test in different secondary orientation SX superalloys, and the dislocation morphology, crystal rotation, and crack initiation and propagation during the process. The effect of secondary orientation on crack initiation and propagation in third generation SX superalloy will be clarified, which will set light on the optimization of crystal orientation in three-dimension during manufacture of complex structured SX blade.

单晶高温合金叶片是先进航空发动机最关键的热端部件，由于结构和制备过程特点，二次枝晶取向（第二取向）具有随机性。因此，在保证生长方向不变的前提下，研究第二取向对合金性能的影响十分必要。本项目拟采用表面形貌分析仪、电子背散射衍射、ARAMIS光学动态应变测量系统以及透射电子显微镜等集中研究温度、应力作用下第二取向对第三代镍基单晶高温合金含圆孔板式试样裂纹萌生及扩展的影响。主要包括：（1）温度变化条件下，不同第二取向试样圆孔周围组织演化，裂纹萌生、扩展机理以及裂纹扩展动力学；（2）应力作用下，不同第二取向试样的圆孔周围应力、应变分布以及裂纹萌生、扩展过程中位错运动、晶体转动规律。本项目将揭示第二取向对含圆孔第三代镍基单晶高温合金裂纹萌生、扩展的影响机制，为单晶叶片制备过程中三维方向上最佳晶体取向的选取奠定理论基础。

单晶高温合金叶片是先进航空发动机最关键的热端部件，为满足不断提高的涡轮进口温度的要求，叶片结构日益复杂，尺寸愈加精细，同时，由于单晶高温合金本身各向异性和制备过程特点，叶片的二次枝晶取向（第二取向）具有随机性。因此，在保证生长方向不变的前提下，研究第二取向对薄壁含孔单晶合金性能的影响十分必要。本项目采用电子背散射衍射、ARAMIS光学动态应变测量系统、原位扫描电子显微镜以及Abaqus计算模拟等集中研究温度、应力作用下第二取向及圆孔孔径、倾斜角度对第三代镍基单晶高温合金板式试样裂纹萌生及扩展的影响。研究结果表明：.（1）在拉应力作用下，无孔样品呈平面应力状态，不同第二取向样品强度关系为：第二取向[110]样品 > 第二取向[210]样品 > 第二取向[100]样品。这主要归因于第二取向[100]样品滑移单位柏氏矢量时在样品厚度方向上产生的变形量最大。而含孔样品拉伸强度关系为：第二取向[100]样品 > 第二取向[210]样品 > 第二取向[110]样品。孔的存在改变了应力分布，导致孔边产生应力集中，从而使含孔样品的各个滑移系在相对较小拉力作用下即可同时开动。.（2）不同第二取向样品热疲劳性能关系为：第二取向[100]样品 > 第二取向[210]样品 > 第二取向[110]样品。不同第二取向样品, 热疲劳裂纹的萌生位置及扩展方向皆不同。单晶高温合金弹性模量各向异性导致温度变化过程中热应力的各向异性是主要原因之一。.（3）孔径越大，孔周围的应变集中因子越大，样品的拉伸强度越低。热疲劳过程中，含直径2mm孔的样品在100循环周次时就已萌生裂纹并快速扩展，而含直径0.5、0.7及0.9mm孔的样品即使经过580周次循环实验后仍未萌生裂纹。.（4）含倾斜孔样品，最大应变集中在孔的锐角边，孔倾斜角度越小，锐角边的最大应变集中因子越大，样品的拉伸强度越低，热疲劳性能越差。.本项目研究揭示了温度或应力作用下第二取向及孔结构对第三代镍基单晶高温合金板式试样裂纹萌生、扩展的影响机制，为单晶叶片制备过程中三维方向上最佳晶体取向的选取积累了数据。