單晶合金中孔洞對蠕變行為的三維有限元模擬

張 姝, 孟 磊, 田素貴, 張建偉, 孟慶堯

(1.沈陽化工大學機械工程學院,遼寧沈陽 110142; 2.沈陽師范大學軟件學院,遼寧沈陽 110023; 3.沈陽工業(yè)大學材料科學與工程學院,遼寧沈陽 110178)

單晶合金中孔洞對蠕變行為的三維有限元模擬

張 姝1, 孟 磊2, 田素貴3, 張建偉1, 孟慶堯1

(1.沈陽化工大學機械工程學院,遼寧沈陽 110142; 2.沈陽師范大學軟件學院,遼寧沈陽 110023; 3.沈陽工業(yè)大學材料科學與工程學院,遼寧沈陽 110178)

通過對有/無缺陷單晶鎳基合金蠕變性能測試、組織形貌觀察及采用三維有限元對近孔洞區(qū)域的應力場分析,研究組織缺陷對單晶合金蠕變行為及組織演化的影響.結果表明:組織缺陷可明顯降低單晶鎳基合金的塑性和蠕變壽命.在高溫蠕變期間,近孔洞區(qū)域的應力等值線具有碟形分布特征,并沿與施加應力軸成45°角方向有較大值,該應力分布特征可使合金中γ′相轉(zhuǎn)變成與施加應力軸成45°角的筏狀結構,并使圓形孔洞沿應力軸方向伸長成橢圓狀.蠕變期間,在合金圓形孔洞缺陷的上、下區(qū)域具有較小的應力值,而在圓形孔洞的兩側(cè)極點處具有最大應力值;隨蠕變時間延長,應力值增大,促使裂紋在該處萌生,并沿垂直于應力軸方向擴展,這是降低合金蠕變壽命的主要原因.

單晶鎳基合金; 孔洞; 蠕變壽命; 有限元分析

由于單晶高溫合金卓越的高溫蠕變、疲勞性能,國外先進航空發(fā)動機、地面燃氣輪機大多采用了單晶渦輪葉片,使其性能得到進一步提高.雖然單晶渦輪葉片得到了廣泛的運用,但是其潛力仍沒有充分地發(fā)揮,一個很重要的原因就是在對其強度和壽命的分析中如何考慮鑄造缺陷的影響,特別是鑄造微孔洞的影響,對于單晶鑄件,鑄造微孔洞對材質(zhì)的劣化有顯著的作用[1-3].由于孔洞的存在破壞了合金組織的連續(xù)性,使應力傳遞受到影響,易于產(chǎn)生應力集中,故促進裂紋的萌生和擴展,因此,明顯降低合金的蠕變壽命[4-6].但其組織缺陷降低合金蠕變性能的程度,及蠕變期間孔洞或微裂紋周圍的應力分布特征及對組織演化和蠕變規(guī)律的影響[7-9]并無文獻報導.據(jù)此,本文對同成分、有/無組織缺陷的合金進行了蠕變性能測試及組織形貌觀察,研究組織缺陷對合金蠕變壽命及組織演化規(guī)律的影響,并采取有限元方法分析近孔洞區(qū)域的應力分布及對組織演化規(guī)律的影響.

1 實驗材料與方法

在高溫度梯度真空定向凝固爐中,以選晶法將成分為Ni-6.0Al-6.5Cr-6Mo-6.5Ta-7.5W的母合金制備成[001]取向的單晶試棒,選用的熱處理工藝為:1 280℃,6 h+1 325℃,4 h A.C +1 040℃,4 h A.C.+870℃,24 h.A.C.

熱處理后的合金經(jīng)Laue背反射法測定晶體取向后,沿平行于[001]方向切取片狀拉伸蠕變試樣,樣品的寬面為(100)晶面,其橫斷面為4.5 mm×2.5 mm,標距為15 mm.將樣品置入GTW504型高溫蠕變試驗機中,進行單軸恒定載荷拉伸蠕變曲線測定,并對有/無組織缺陷合金進行SEM形貌觀察.采用ANSYS軟件對近孔洞缺陷區(qū)域的應力分布進行有限元分析,并討論組織缺陷對蠕變期間應力分布及組織演化規(guī)律的影響.

2 實驗結果與分析

2.1 組織缺陷對合金蠕變特征的影響

由于選用合金在熔煉及鑄造期間存在局部組織的不均勻性,可使單晶合金中產(chǎn)生組織缺陷.在高溫低應力蠕變期間,其鑄造期間形成的缺陷破壞了合金組織的連續(xù)性,并易于產(chǎn)生應力集中,故明顯降低合金的蠕變壽命.同成分有/無缺陷合金在1 072℃,施加137 MPa條件下的蠕變曲線如圖1所示.

圖1 鑄造缺陷對合金蠕變性能的影響Fig.1 Influence of casting defects on creep properties of the alloy

圖1中曲線1為無缺陷合金,曲線2為有孔洞缺陷合金,比較可知:無缺陷合金具有較低的應變速率和較長的蠕變壽命,其蠕變壽命長達98 h,應變量約為17%,而有缺陷合金的蠕變壽命僅有43 h,蠕變應變量降低到7.5%.即由于鑄造缺陷的存在,明顯降低了合金的塑性及蠕變壽命.

2.2 蠕變期間的組織演化

單晶鎳基合金的鑄態(tài)組織是由尺寸不均勻的γ′相和γ基體2相組成.在枝晶干區(qū)域,γ′相尺寸較小,而在枝晶間區(qū)域尺寸較大[10].經(jīng)4級完全熱處理后,合金的組織結構是規(guī)則排列的立方γ′相以共格方式嵌鑲在γ基體相中,如圖2所示.其立方γ′相的平均邊長約為0.4μm,且均勻地沿<100>取向規(guī)則排列,立方γ′相的體積分數(shù)約為68%,γ基體通道的寬度約為50 nm.

圖2 合金經(jīng)完全熱處理后的組織形貌Fig.2 Morphology after the alloy fully heat treated

在高溫蠕變期間,伴隨合金基體中位錯運動的同時,γ′相經(jīng)歷了由立方體形貌擴散轉(zhuǎn)變?yōu)榉钚蚊驳倪^程[11].圖3為無晶體缺陷單晶合金在1 072℃/137 MPa條件下,試樣中間部位不同蠕變時間后的組織形貌.

圖3 無缺陷合金在1 072℃/137 MPa條件下,不同蠕變時間的組織形貌Fig.3 Cave in the different regions of the alloy crept of alloy as creep time at 1 072/137 MPa

膜面的法線方向為[100]取向.照片中黑色為γ′相,白色為γ基體相.合金蠕變5 h后,立方γ′相逐漸轉(zhuǎn)變成筏狀結構,γ′相厚度的平均尺寸為0.3μm,如圖3(a)所示,但仍有部分γ′相保持立方結構,如圖3(a)中箭頭所示.低應力蠕變98 h后,合金中原立方γ′相已經(jīng)轉(zhuǎn)變成與應力軸垂直的N-型筏狀組織,且表現(xiàn)出扭曲的的形貌特征,筏狀γ′相的厚度尺寸約為0.7μm,基體γ相的厚度增加到0.5μm,如圖3(b)所示.

2.3 單晶合金中的組織缺陷

對蠕變壽命較低樣品進行組織觀察表明:合金中存在較多組織缺陷.其存在的圓形孔洞缺陷示于圖4,施加應力軸方向如圖中右側(cè)所示.

圖4 在1 072℃/137 MPa條件下,有缺陷合金蠕變43 h斷裂后,不同區(qū)域存在孔洞的形貌Fig.4 Cave in the different regions of the alloy crept for 43 h up to fracture at 1 072℃/137 MPa

合金具有較低蠕變壽命的原因是存在較多的組織缺陷.在遠離斷口的局部區(qū)域,合金中的γ′相已經(jīng)形成與應力軸垂直的N-型筏狀形貌,其中有一圓形孔洞,如圖4(a)所示,由于該區(qū)域遠離斷口,形變量較小,所以,孔洞周圍的筏狀γ′相取向無明顯差別.而在近斷口區(qū)域,由于形變量較大,發(fā)生縮頸,合金中的圓形孔洞已轉(zhuǎn)變成橢圓狀,如圖4(b)所示,可以看出,孔洞周圍的γ′相也已形成筏狀組織,但筏狀γ′相的取向各異,形狀較為復雜.在近孔洞的上、下區(qū)域,筏狀γ′相的取向與應力軸方向成近45°角排列,如圖4(b)中箭頭所示,并在孔洞的兩側(cè)出現(xiàn)裂紋.如果認為,該孔洞形變前為圓形,且為合金的鑄造缺陷,那么經(jīng)高溫低應力蠕變,且發(fā)生較大變形及蠕變斷裂后,轉(zhuǎn)變?yōu)檠貞S方向伸長的橢圓狀,并在孔洞的兩側(cè)形成裂紋,同時,γ′相發(fā)生了不規(guī)則的組織演化.表明,組織缺陷對合金中裂紋萌生及γ′相的組織演化有明顯的影響.

3 近孔洞區(qū)域的應力分布及對組織演化的影響

圖5 1/8晶體模型Fig.5 1/8 Crystal model

如果認為缺陷處裂紋的形成及γ′相的演化與該區(qū)域的應力分布有關,那么高溫蠕變期間,在孔洞缺陷的兩側(cè)產(chǎn)生裂紋并在近孔洞區(qū)域γ′相發(fā)生較復雜的組織演化表明:在近缺陷區(qū)域的應力分布存在差別.分析近缺陷區(qū)域的應力分布,有助于探討發(fā)生復雜組織演化及致使合金發(fā)生蠕變斷裂的原因.

利用有限元方法對缺陷區(qū)域進行應力分析中,采用的Norton表達式為:

根據(jù)蠕變樣品的尺寸建立三維有限元模型,如圖5建立1/8晶體模型.計算中對樣品施加的溫度為1 072℃,并使樣品最小截面保持137 MPa的拉應力.

在實驗溫度和施加應力的條件下,計算出樣品近孔洞區(qū)域的應力分布與施加載荷的時間有關,其應力分布隨時間的變化規(guī)律如圖6所示,為方便觀察選取1/4晶體模型.

圖6 在1 072℃/137 MPa條件下,近孔洞區(qū)域的應力分布隨時間的變化規(guī)律Fig.6 Change regularity of the stress distribution near the cave region of alloy as creep time

由圖6可以看出:在蠕變初期7 h,孔洞保持圓形,在孔洞的上、下部位具有較低的應力分布值,在近孔洞兩側(cè)的區(qū)域出現(xiàn)應力較大值,為89 MPa,應力分布具有對稱性,如圖6(a)所示.隨蠕變進行,近孔洞兩側(cè)區(qū)域的應力值增大,示于圖6(b),當蠕變21 h后,孔洞兩側(cè)應力值再次增大,其 von Mises應力等值線呈蝶形分布,在孔洞兩側(cè)的極點b處仍為最大值,其值約為167 MPa,并使圓形孔洞沿施加應力方向略有伸長,如圖6(c)所示;隨蠕變時間增加至28 h,在近橢圓形孔洞兩側(cè)的應力等值線呈現(xiàn)碟形特征,其碟形的前端與應力軸方向呈45°角伸長,極點b處應力最大值進一步增加,如圖6(d)所示;隨蠕變時間延長至35 h,孔洞兩側(cè)的等應力曲線呈碟形特征加劇,孔洞沿應力軸方向進一步伸長,在近孔洞的上、下區(qū)域為最小應力分布區(qū),兩側(cè)極點處的最大應力值增大至245 MPa,如圖6(e)所示,該值已經(jīng)超過該合金的屈服強度[13],并可引起孔洞兩側(cè)出現(xiàn)裂紋;隨蠕變時間增加至43 h,孔洞周圍區(qū)域的等應力值進一步增加,兩側(cè)極點b處的最大應力增加到約271 MPa,如圖6 (f)所示,該值已遠大于合金在1 072℃的屈服強度值[13],故可致使合金發(fā)生蠕變斷裂.

根據(jù)近孔洞區(qū)域的應力分布及隨時間的變化規(guī)律分析可知:孔洞極點b區(qū)域具有最大的應力分布值,故該區(qū)域易于產(chǎn)生應力集中.當應力集中值增加到大于該合金的屈服強度時,可致使合金中裂紋萌生,隨蠕變進行,應力值增大,可使裂紋沿垂直于應力軸[001]沿[100]和[010]方向逐漸擴展,其裂紋擴展的形貌如圖4(b)所示.由于在近孔洞區(qū)域兩側(cè)的應力分布沿與施加應力軸呈45°角方向具有較大值(該方向為施加載荷的最大剪應力方向,如圖6所示),所以,該應力分布特征可致使合金中筏狀γ′相沿較大剪應力方向排列,如圖4(b)中箭頭所示.由于筏狀γ′相層片相間,其強度較低的γ基體相與最大剪應力方向平行,故可致使合金中裂紋沿強度較低的γ基體通道擴展而發(fā)生蠕變斷裂.如果認為有限元分析的結果為理論預測值,蠕變43 h合金可發(fā)生蠕變斷裂,則該理論預測值與圖1的實驗結果相一致.

由圖6還可以看出:在圓形孔洞的a、b兩極點處具有不同的應力分布特征,在極點b處,具有最大的應力值,該最大應力值可促使裂紋萌生,并使其沿垂直于應力軸方向擴展,但不發(fā)生位移.

而在極點a處應力值最小,但卻發(fā)生較大位移,隨蠕變進行,a點處發(fā)生的位移量隨時間呈拋物線規(guī)律增加,如圖7所示.

圖7 蠕變期間近孔洞a點的位移隨時間的變化規(guī)律Fig.7 Dependence of the displacement at a region near the cave and creep time

當蠕變43 h后,有缺陷合金蠕變斷裂后的應變量為7.4%,而在孔洞區(qū)域的位移量僅為0.225μm,其值遠小于合金的蠕變應變量.如果認為合金的蠕變應變量完全由孔洞區(qū)域的位移量構成,則單獨一個孔洞區(qū)域的位移量不能構成合金的應變量.故由此可推斷,該合金的蠕變應變及斷裂由多個孔洞發(fā)生位移及裂紋擴展組成.

4 結 論

(1)組織缺陷可明顯降低單晶鎳基合金的蠕變壽命和塑性,隨蠕變進行,在合金中近孔洞區(qū)域的γ′相沿施加應力軸方向成45°角形成筏狀結構,其圓形孔洞缺陷可沿應力軸方向伸長成橢圓形,并在孔洞兩側(cè)形成裂紋,沿垂直于應力軸方向擴展.

(2)在高溫蠕變期間,近孔洞區(qū)域的應力等值線具有碟形分布特征,并沿與施加應力軸成45°角方向具有較大值,該應力分布特征是使γ′相轉(zhuǎn)變成45°角筏狀結構的主要原因.

(3)在合金的蠕變期間,圓形孔洞缺陷的上、下區(qū)域為最小應力分布區(qū),而在圓形孔洞的兩側(cè)極點處具有最大應力值,隨蠕變時間延長,應力值增大,并使裂紋在該處萌生,并沿垂直于應力軸方向擴展.

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Single Crystal Alloy on the Creep Behavior of Holes in Three-dimensional Finite Element Simulation

ZHANG Shu1, MENG Lei2, TIAN Su-gui3, ZHANG Jian-wei1, MENG Qing-yao1
(1.Shenyang University of Chemical Technology,Shenyang110142,China; 2.Shenyang Normal University software college,Shenyang110023,China; 3.Shenyang University of Technology,Shenyang110178,China)

Through the test of having defects creep properties of single crystal nickel-base alloy or not,the observation of morphology and the analysis of stress field near hole region by three-dimensional finite element.The investigation has been made into the influence of the defects on creep behaviors and microstructure evolution of single crystal nickel-based superalloys.The results show that the creep lifetimes and plasticity of the single crystal nickel based superalloys are obviously decreased by microstructure defects.During high temperature creep,the stress isoline near the holes region displays the feature of the acetabuliform distribution,and possesses the bigger stress value at45°angle direction relative to the applied stress axis.That results in theγphase transformed into the rafted structure at45°angle direction relative to the applied stress axis,and the circular holes defects are elongated into the ellipse in shape along the direction parallel to the applied stress axis.During creep,a smaller value of the stress distribution displays in the up and down regions of the circular holes,and the maximum value of the stress distribution exhibits the apices region in the sides of the hole.In the further,the fact that the max value of the stress distribution increases as creep goes on results in the germination and expanding of the cracks,which is a main reason of damaging creep lifetimes of the alloys.

single crystal nickel-based superalloys; void; creep lifetimes; FEM analysis

TG 132.2

A

1004-4639(2010)01-0052-06

2009-11-16

國家自然科學基金資助項目(50571070);遼寧省教育廳基金資助項目(2004C004)

張姝(1976-),女,遼寧沈陽人,講師,博士研究生在讀,主要從事高溫合金蠕變行為計算機模擬的研究.

田素貴(1952-),男,遼寧沈陽人,教授,博士,主要從事單晶鎳基合金、耐熱鎂合金的高溫蠕變、組織演化及變形機制等的研究.