镍基单晶高温合金疲劳过程诱发形成的孪晶对进一步蠕变变形的影响规律和作用机制

This project is aimed to study the influence and mechanism of twins induced by the thermomechanical fatigue process on further creep deformation in nickel base single crystal superalloys with the aid of comprehensive microscopic analysis methods. Effect of pre-existing twins on microstructure in creep process will be researched to expound the effect of the original microstructure, element distribution, solidification defects and twins caused by fatigue, etc, on the nickel base superalloys creep deformation as well as the formation and evolution of the microstructure. A physical model to describe how the preexisting twins affect dislocation movement will be given based on the research of dislocation configuration, dislocation motion and the interaction between dislocations and twins in nickel base single crystal superalloys under the temperature field and stress field. A failure analyses model to describe how twinning affect creep at high temperature will be built based on the research of the features of the stress field at the defect tip of the creep rupture crack in the presence of twins, and then to further reveal the macro and micro failure mechanism of superalloys under different loads. Based on the fatigue-creep mode that the crack tip could further induce twinning in the crack propagation process, the interaction between the stress field at the defect tip of the creep rupture crack and the formation and growth of twins will be investigated. And the effects of twinning on the formation and growth of the crack under the combined condition of fatigue and creep will also be clarified in both micro and macro scales.

本项目通过综合的显微分析手段，研究镍基单晶高温合金在热机疲劳过程中诱发形成的孪晶对进一步蠕变变形的影响规律和作用机制。研究预先存在的孪晶对蠕变过程中微观组织结构的影响，阐明原始组织、元素分布、凝固缺陷、疲劳引入的孪晶等因素对于合金蠕变变形的影响规律和微观组织结构形成和演化的作用机制。研究在温度场和应力场作用下镍基单晶高温合金中位错的组态、运动模式及其与孪晶的交互作用，建立孪晶影响位错运动的物理模型。研究在孪晶存在的条件下蠕变断裂裂纹尖端的应力场特点，建立孪晶影响高温蠕变的失效分析模型，揭示高温合金在不同热/机载荷水平所对应的宏观和微观破坏机理。基于裂纹扩展过程中裂纹尖端又进一步诱发孪晶的疲劳蠕变破坏模式，分析蠕变断裂裂纹尖端应力场与孪晶的形成和长大的交互作用，揭示疲劳蠕变综合作用条件下镍基单晶高温合金中裂纹借助孪晶形成和扩展的微观机制和宏观规律。

本项目借助于金相、扫描电子显微镜、透射电子显微镜等先进材料分析测试技术，对于镍基单晶高温合金中孪晶的组织结构特征及其在蠕变过程中与位错等缺陷的交互作用进行了深入观察和分析。同时借助于分子动力学及第一性原理等理论工具对于金属与合金的变形特征以及溶质在孪晶界处择优分布现象进行了模拟分析。.（1）镍基单晶高温合金在蠕变过程中在枝晶间形成孪晶组织，这些交截孪晶板条把合金分割成非常细密的空间，大大约束了滑移位错的移动范围，有助于提高合金的蠕变性能。在700-800度这个温度条件下蠕变，可以通过诱发形变孪晶提高合金的蠕变性能；而当蠕变温度超过1000度时，合金形变诱发孪晶的能力下降，而随着温度的提高，合金gamma prime相的体积分数明显下降，这时高温合金蠕变性能较差。.（2）材料计算表明，纳米线状镍单晶沿着[001]方向变形时，其弹性阶段的变形是不均匀的，可以在材料内部产生一种体心立方的结构来引导弹性变形，而不是所有原子的均匀变形，在某种条件下又将恢复为面心立方结构，这种体心立方结构的形成可以降低材料的密度以抵抗变形。这种体心立方结构随着应变或温度的增加而增加。.（3）借助扫描透射电子显微镜从原子尺度上对基体内的析出相μ相的(10-2)和(111)等孪晶的孪晶界结构进行了观察，并借助密度泛函理论计算对各孪晶的起源、界面稳定性和形成过程进行了深入的讨论分析。