钴基高温合金热冲击下裂纹产生机制及热-力混合作用下的疲劳断裂机制和模型

After contacting of cobalt-based alloy stellite12 thrust dis and graphite bearing pad in AP1000 reactor coolant pump, they endure the effects of thermal shocking fatigue except for the effects of cycle loading, shocking and vibrating. Under the condition of thermal shocking, cracks are produced in cobalt-based alloy, which affects performance. Based on this actual problem, scientific problems related to cracking mechanisms of cobalt-based alloy stellite 12 produced by hot isostatic pressing will be systematically studied by combining macro-, micro-experiments and finite element calculation:(1)Phase transformation mechanisms of carbide hard phase and base phase under the condition of thermal-cooling processes, recrystallization behavior and oxidation behavior under the effects of the heat. (2)The effects of mutual interaction between weakening microstructures and thermal stress conditions. (3)The fatigue fracture mechanisms and model in the mutual effect of thermal-load mixed loading. (4)The effects of cracks, phase transformation, recrystallized microstructures on the properties. Based on the study of these scientific problems, on one hand, cracking mechanisms and thermal fatigue fracture model can be systematically revealed. Moreover, based on cracking mechanisms and thermal-fatigue fracture models, by the improvement of the materials (the increase of intrinsic resistance) and the optimization of the working environment(the decrease of extrinsic driving force), the methods decreasing cracks will be proposed.

AP1000反应堆冷却剂泵推力盘上的Stellite12钴基合金与轴瓦石墨接触后，在实际服役下不仅受到交变载荷、冲击、震动的影响，而且还受到热冲击疲劳的影响。在热冲击疲劳下，钴基合金产生裂纹，进而影响钴基合金的使用性能。本课题基于这个实际问题，结合宏观微观实验和有限元模拟计算研究热等静压制备的Stellite12钴基合金裂纹产生机理的相关基础科学问题：(1)在热-冷却介质作用下，碳化物硬质相和基体相的相变规律、热作用下的再结晶行为及氧化行为；(2)弱化的组织与热疲劳应力状态相互作用的影响；(3)热-力混合作用下的疲劳断裂机制和模型；(4)裂纹、相变、再结晶组织产生后对整体性能的影响。通过这些研究，一方面更清楚地得知钴基合金在复杂使用环境下的裂纹产生机理及整体疲劳断裂失效模型。另一方面在此研究基础上，通过材料改进（内在阻力的增加）和工况优化（外加驱动力的降低），提出降低裂纹产生的措施。

钴基合金作为传统的高温合金，在核电设备及航空航天设备中发挥着不可替代的作用。本研究采用热等静压工艺制备用于核电推力盘表面的耐磨层材料钴基合金作为研究对象，由于其特殊的服役条件，其在极端情况下遭遇到循环载荷和热冲击的作用，从而致使硬质耐磨层表面产生热疲劳裂纹等损伤，因此本研究针对热冲击试验下钴基合金的裂纹产生机制及疲劳断裂机制结合宏观力学试验、微观组织表征OM、SEM、EBSD、TEM、XRD等技术以及模拟计算从氧化、组织、应力和力学性能等四个方面进行了系统研究，揭示了热冲击条件下钴基合金的组织演变及其力学性能变化规律；揭示了热冲击下钴基合金的裂纹起裂、扩展规律以及断裂机理；同时对比研究了静态高温氧化对组织和压缩性能的影响，提出了等温氧化和热冲击条件下氧化机制的异同。进一步提出钴基合金热冲击条件下的氧化与裂纹形成的关系，发现了热冲击条件下氧化物呈“指状”生长的奇异现象。用Stokes-Herring-Suo模型计算了氧化-扩散-蠕变产生的力，指出了氧化扩散蠕变应力的建立需要的时间是靠蠕变应变速率和弹性模量来控制。利用Shear-lag模型解释了“指状”氧化物形成的内在机制。最终揭示了热冲击条件下钴基合金的疲劳断裂机制。.项目组经过四年的努力，就上述几个方面取得了一系列有影响的研究成果。系列研究成果对钴基合金热冲击疲劳的研究具有理论价值和工程实际意义、同时对发展新型钴基合金及优化生产工艺等具有指导意义。.项目执行期间发表论文33篇，包括SCI论文24篇，EI收录论文29篇。项目执行期间申请人获得甘肃省“飞天学者”，获兰州理工大学“2016-2018年度科研工作先进个人”称号，获兰州理工大学“师德标兵”称号。2021年获得四川省“天府学者”特聘专家。根据和合作方安泰科技股份有限公司的良好合作基础，双方已经建立了正式的校企合作协议，并建立了长期的合作关系。培养2名年轻老师晋升副研究员，培养毕业博士研究生1名，毕业硕士研究生2名。