基于細(xì)觀位錯(cuò)機(jī)理的單晶合金高溫力學(xué)性能模擬

曹 娟

（中航工業(yè)中國輕型燃?xì)廨啓C(jī)開發(fā)中心，北京 100028）

0 引言

鎳基單晶高溫合金作為當(dāng)今制造先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)葉片的主要材料[1]，從20世紀(jì)80年代至今已發(fā)展到第5代，并廣泛應(yīng)用于軍、民用飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)上[2-3]，因?yàn)槠淞W(xué)性能受合金組成成分和熱處理工藝的影響巨大，因此如何揚(yáng)長避短，最大限度地發(fā)揮其應(yīng)用潛力成為國內(nèi)外高溫材料研究的熱點(diǎn)之一。

鎳基單晶合金在拉伸載荷的條件下，其力學(xué)性能和對應(yīng)的細(xì)觀變形機(jī)理按照溫度大體可以分為3個(gè)區(qū)間：（1）在750℃以下（低溫）時(shí)，材料的屈服應(yīng)力基本保持不變，和加載速率無關(guān)，由于位錯(cuò)沒有足夠的能量攀越γ′，所以當(dāng)應(yīng)力足夠大時(shí)，位錯(cuò)基本以切割 γ′的運(yùn)動(dòng)為主；（2）在 750～900 ℃（中溫）時(shí)，達(dá)到最大屈服應(yīng)力的峰值溫度隨應(yīng)變率的變化而變化，低應(yīng)變率時(shí)峰值溫度偏低，高應(yīng)變率時(shí)峰值溫度偏高。如對PWA1480合金來說，低應(yīng)變率下的峰值溫度為760℃，高應(yīng)變率下的峰值溫度則為815℃[4]。位錯(cuò)既存在對 γ′的切割，也存在對 γ′的攀越；（3）在 900℃以上（高溫）時(shí)，屈服強(qiáng)度隨溫度變化幾乎呈線性降低，溫度不變時(shí)，屈服應(yīng)力隨應(yīng)變率的減小而減小，位錯(cuò)基本以對γ′的攀越為主。

鎳基單晶合金在蠕變條件下，主要表現(xiàn)出蠕變強(qiáng)度的拉壓不對稱和各向異性的特征。K.Kakehi[5]經(jīng)過觀測，認(rèn)為導(dǎo)致這種拉壓不對稱的原因是孿晶的產(chǎn)生，在[001]和[011]方向上都會產(chǎn)生孿晶，因此出現(xiàn)不對稱的現(xiàn)象；而在[111]方向不產(chǎn)生孿晶，只有位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，因此沒有不對稱的情況。大量文獻(xiàn)中對蠕變性能的晶體取向相關(guān)性進(jìn)行了研究，對3個(gè)典型方向蠕變強(qiáng)度優(yōu)劣的評價(jià)不一。Sass[6]的研究認(rèn)為蠕變率的大小同各方向上參與蠕變的基體通道數(shù)目有關(guān)，[001]、[011]和[111]3個(gè)方向參與蠕變的基體通道分別為1、2和3，因此這3個(gè)方向的蠕變率也依次增大，但也有研究表明對于不同的單晶材料，在不同溫度下，這3個(gè)方向的蠕變壽命長短次序不一致。

對于鎳基單晶細(xì)觀結(jié)構(gòu)演化的觀測和初步建模分析，國外從20世紀(jì)70-80年代就已出現(xiàn)，到80年代末至90年代，已經(jīng)逐漸形成許多普遍認(rèn)同的觀點(diǎn)。國內(nèi)90年代后開始對單晶細(xì)觀變形進(jìn)行觀測[7-10]，但涉及對胞元模型進(jìn)行力學(xué)建模則開始較晚，在2000年左右出現(xiàn)，主要有田素貴等人[11-12]采用的有限元分析方法，及張克實(shí)等人[13-14]對胞元的塑性行為研究。

本文利用之前建立的基于位錯(cuò)增殖、剪切、攀移、恢復(fù)滑移、交滑移及細(xì)觀結(jié)構(gòu)演化運(yùn)動(dòng)的位錯(cuò)蠕變筏化模型[15-16]，對第2代單晶材料CMSX-4在1223 K下的拉伸、蠕變、循環(huán)、蠕變疲勞交互及各向異性進(jìn)行模擬，從細(xì)觀機(jī)理上體現(xiàn)出不同載荷條件下單晶的變形特征，驗(yàn)證了這種基于細(xì)觀胞元結(jié)構(gòu)的位錯(cuò)蠕變筏化模型在對單晶合金模擬能力上的適用性和準(zhǔn)確性。

1 CMSX-4合金的各向異性模擬

第2代單晶合金CMSX-4，密度為8.7 g/cm3，用作EJ200和RB211發(fā)動(dòng)機(jī)等高壓渦輪葉片的材料，最高使用溫度約為1163℃[1]。對其進(jìn)行不同晶體取向的變形性能模擬，其在1223 K下的彈性、蠕變及筏化參數(shù)見表1。其中參數(shù)的定義和具體內(nèi)涵參考文獻(xiàn)[15-16]；該合金的更多細(xì)觀位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)參考文獻(xiàn)[17-19]；有關(guān)單晶筏化及細(xì)觀結(jié)構(gòu)演化參考文獻(xiàn)[20-21]；其在1223 K下不同方向的試驗(yàn)曲線取自文獻(xiàn)[22]。

在1223 K下，CMSX-4合金在[001]取向的拉伸和蠕變曲線如圖1所示。從圖1（a）中可見，當(dāng)拉伸應(yīng)變率較小時(shí)，應(yīng)力減小不明顯，當(dāng)應(yīng)變率達(dá)到0.01/s時(shí)，應(yīng)力減小100 MPa左右。從圖1（b）中可見，蠕變第1階段的應(yīng)變量隨著應(yīng)力的減小呈逐漸減小的趨勢，同時(shí)蠕變的第2階段也更趨于穩(wěn)定，在應(yīng)力為425 MPa時(shí)，試驗(yàn)曲線中蠕變應(yīng)變很快增大，幾乎不存在蠕變的穩(wěn)定階段，對其在1%塑性應(yīng)變以下的蠕變壽命預(yù)測與試驗(yàn)值相差較大，而在355 MPa以下的應(yīng)力范圍內(nèi)對其模擬較好。這可能是由于目前在應(yīng)力較大時(shí)，對幾種類型的滑移系開動(dòng)的門檻應(yīng)力值掌握得還不夠精確，需進(jìn)一步研究。CMSX-4合金在[001]方向、不同應(yīng)變范圍時(shí)的對稱循環(huán)曲線如圖2所示。

表1 CMSX-4合金在1223K下的材料及蠕變模型參數(shù)

CMSX-4合金在[001]方向分別控制最大應(yīng)變和最大應(yīng)力時(shí)的蠕變疲勞交互曲線如圖3所示。在R=0、最大應(yīng)變?yōu)?.009、保載120 s時(shí)的應(yīng)力-時(shí)間曲線如圖3（a）所示，在保載的過程中應(yīng)力隨著時(shí)間的增加而減小，從初始的800 MPa到第3個(gè)循環(huán)結(jié)束時(shí)降到550 MPa左右；在R=0、最大應(yīng)力為500 MPa加載過程為20—30—40—0的應(yīng)變-時(shí)間曲線如圖3（b）所示，在前10個(gè)循環(huán)中，應(yīng)變隨時(shí)間的增加有增大的趨勢，對應(yīng)變量的模擬開始偏大，而后逐漸接近。這一現(xiàn)象的原因可能與圖1（b）類似，即在應(yīng)力較大時(shí)，對初始單晶滑移系開動(dòng)的觀察和研究不夠準(zhǔn)確，但隨著時(shí)間的增加，滑移系的開動(dòng)趨于穩(wěn)定，因此模擬結(jié)果逐漸趨近試驗(yàn)結(jié)果。

CMSX-4合金在[011]和[111]方向的拉伸和對稱循環(huán)曲線如圖4、5所示。從圖中可見，在相同的應(yīng)變率下，[111]方向的屈服應(yīng)力有明顯減小。2個(gè)方向的拉伸曲線開始都有明顯的應(yīng)力減小，而后又有硬化出現(xiàn)，對[011]方向來說應(yīng)變率較小時(shí)硬化明顯，而對[111]方向來說，3個(gè)應(yīng)變率的拉伸曲線硬化都很明顯。但[111]方向的模擬曲線并未體現(xiàn)出應(yīng)力的這一變化，而是屈服后應(yīng)力有緩慢減小的趨勢，這可能是由于應(yīng)力的解析模型中未考慮基體通道交叉處的影響，因?yàn)樵赱111]方向加載時(shí)，3個(gè)基體通道所處的方位相同，此時(shí)其交叉區(qū)域的變形將產(chǎn)生一定的影響。對于對稱循環(huán)曲線來說，[011]方向的模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相比體現(xiàn)出較好的硬化現(xiàn)象，而[111]方向的結(jié)果在加載時(shí)應(yīng)力增加得偏快，但最終的值接近。

通過以上對CMSX-4合金在3個(gè)晶體取向的模擬結(jié)果可見，此基于細(xì)觀位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的蠕變模型結(jié)合細(xì)觀結(jié)構(gòu)演化模型，通過擬合立方滑移系的2個(gè)參數(shù)和，能實(shí)現(xiàn)對單晶材料在不同晶體取向較為準(zhǔn)確的性能模擬，體現(xiàn)出其各向異性的特點(diǎn)。

3 結(jié)論

利用基于細(xì)觀2相胞元結(jié)構(gòu)的位錯(cuò)蠕變筏化模型對CMSX-4合金在1223 K下的綜合力學(xué)性能進(jìn)行模擬。結(jié)果表明：在拉伸條件下，應(yīng)變率較大時(shí)應(yīng)力表現(xiàn)出略微減小的趨勢；在蠕變條件下，應(yīng)力越大則蠕變第1階段越明顯，而蠕變穩(wěn)定階段則越短，此模型對于應(yīng)力相對較小、蠕變穩(wěn)定階段較長的情況模擬較準(zhǔn)確；在蠕變疲勞交互作用下，控制最大應(yīng)變時(shí)模擬曲線表現(xiàn)出應(yīng)力略有減小，控制最大應(yīng)力時(shí)表現(xiàn)出應(yīng)變有所增大，均與試驗(yàn)結(jié)果較吻合；對單晶[011]方向的拉伸和循環(huán)模擬基本與[001]方向的類似，表現(xiàn)出拉伸的應(yīng)力減小和循環(huán)的應(yīng)變硬化，但對[111]方向的模擬與試驗(yàn)曲線相比在過渡階段變形較快，這可能是由于沒有考慮此方向上3個(gè)通道交叉的影響，但最終值都與試驗(yàn)結(jié)果接近。

總之，根據(jù)單晶合金細(xì)觀的變形機(jī)理，基于之前建立的基于位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的蠕變筏化模型對CMSX-4合金的力學(xué)行為進(jìn)行模擬，通過與試驗(yàn)結(jié)果對比，能夠在一定程度上反映單晶合金在較高溫度下的變形本質(zhì)，對其綜合力學(xué)性能進(jìn)行表征，可為材料的壽命評估提供參考。

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