基于中子衍射多尺度应力表征方法的镍基高温合金高温疲劳行为研究

Nickel-based superalloys have been the key material of the turbine blades, turbine disc and other components of aircraft engine based on the advantages of high temperature creep, fatigue and oxidation resistance. The presence of the intergranular and interphase stresses may strongly affect the mechanical properties and the fatigue properties in particular. However, the accurate evaluation of multiscale stresses is still unsolved due to the limitation of characterization methods. This project intends to develop an innovative technique to evaluate the multiscale stress of superalloys based on the neutron diffraction combining with high-energy X-ray synchrotron and to solve the key scientific issue of the fatigue performance associated with microstructure damage which dominated by the multiscale stresses evolution. This project aims to reveal the multiscale stresses evolution associated with the microstructure damage during the solid solution and aging heat treatment process and to clarify the relationship between the microstructure damage and high temperature fatigue performance. It will provide the theoretical guidance and technical support for evaluating multiscale stress and improving the reliability of aircraft engine components.

镍基高温合金具有优越的高温抗蠕变、抗疲劳、抗氧化腐蚀特性，成为航空发动机涡轮叶片、涡轮盘等热端部件的主要用材。镍基高温合金的晶间应力和相间应力对力学行为尤其是疲劳性能有显著影响，但是其多尺度应力的准确评估由于表征手段的限制一直是研究上的难点。本项目拟发展“基于中子衍射结合高能X射线同步辐射的高温合金中多尺度应力准确评估方法”这一富有创新性的关键技术，解决“镍基高温合金高温循环载荷下多尺度应力场演化主导的微观组织损伤与疲劳性能的关联”这一关键科学问题，揭示固溶和时效热处理过程中镍基高温合金多尺度应力演化规律，阐明镍基高温合金中多尺度应力演化与组织损伤及高温疲劳性能之间的关联关系，为建立和完善我国航空航天高温合金部件的多尺度应力场评价制度及提高部件的服役可靠性提供理论指导和技术支持。

镍基高温合金作为航空发动机涡轮叶片、涡轮盘等核心部件的主要用材，其应力分布与演化对工程部件的设计和服役寿命能够产生的积极（如喷丸、表面激光冲击等表面强化）或消极（铸造热应力引起铸锭开裂、应力释放引起加工变形等）的影响。由于 γ’析出相的存在，研究包含宏观应力和微观应力（晶间应力和相间应力）在内的多尺度应力有非常重要的意义。本项目建立了基于中子衍射与同步辐射X射线衍射的镍基高温合金的基体相 γ 与强化析出相 γ’无应力状态晶面间距（d0）的准确评估方法，并应用于热处理过程中镍基高温合金多尺度应力场的演化，研究了γ’相强化的高温合金涡轮盘模拟件在锻造-固溶-时效全流程的多尺度应力场演化，结合X射线衍射方法，小孔法和中子衍射方法，建立了不同冷却速率（空冷和淬火）状态的高温合金盘件三维应力场，并与有限元方法进行验证。我们开展了不同析出相与位错作用机制的力学性能与相间应力的系统研究，探明了位错绕过与切过机制对拉伸、加工硬化、低周疲劳性能等力学行为的影响与机理，通过原位中子衍射揭示了拉伸/循环加载过程中相间应力配分演化规律，同时，采用原子探针方法对无析出相的高温合金强化机理进行了分析，发现时Cr元素在孪晶界面偏聚导致的析出强化。本项目揭示固溶和时效热处理过程中镍基高温合金多尺度应力演化规律，阐明镍基高温合金中多尺度应力演化与组织损伤及高温疲劳性能之间的关联关系，为建立和完善我国航空航天高温合金部件的多尺度应力场评价制度及提高部件的服役可靠性提供理论指导和技术支持。