单晶高温合金持久性能的各向异性

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本文采用扫描电镜(SEM)、能谱分析(EDS)、电子背散射衍射技术(EBSD)、透射电镜(TEM)等手段对不含微量元素碳、硼、铪的DD26和含有上述元素的DD26C(碳0.1wt%、硼0.01wt%、铪0.1wt%)单晶高温合金铸态组织、热处理态组织、不同取向试样975℃/255MPa高温低应力持久断裂组织和760℃/670MPa低温高应力持久断裂组织以及高温持久过程中试样的取向旋转进行了系统的研究,对比分析了微量元素、热处理和枝晶间距对DD26和DD26C单晶合金持久性能各向异性的影响,讨论了两种合金不同取向试样高温低应力以及低温高应力蠕变变形机制。研究发现:   ⑴DD26和DD26C单晶合金高温持久寿命与取向的关系是:偏离[111]取向15°以内>靠近[001]-[111]边界(15°<θ<35°,23°<ρ<45°)>偏离[001]取向15°以内>靠近[001]-[011]边界(15°<θ<35°,0<ρ<23°)>靠近[011]取向(35°<θ<45°,0<ρ<23°)。其中偏离[001]取向15°以内试样的变形受多个方向的{111}<110>类型滑移系在基体内滑移控制;靠近[001]-[111]边界和偏离[111]取向15°以内试样蠕变初期受单方向{111}<110>类型滑移系在基体内滑移控制,但是能很快转到边界,开动两个{111)<110>类型滑移系;靠近[001]-[011]边界和靠近[011]取向试样变形受单滑移控制。   ⑵DD26和DD26C单晶合金低温持久寿命与取向的关系是:偏离[001]取向25°以内时,靠近[001]-[011]边界>靠近[001]-[111]边界,偏离[001]取向角度大于25°时,靠近[001]-[111]边界>靠近[001]-[011]边界。另外,在大约偏离[001]取向35°以内的范围内,处于[001]-[011]边界上的试样一直具有较高的低温持久寿命。偏离[001]取向10°以内的取向和[001]-[011]边界上试样变形受多个{111}<110>滑移系在基体内滑移控制,同时在γ’相内能发现少量的两个方向层错;偏离[001]较大且取向位于极图内部的试样变形受单方向的a/3<112>位错剪切γ’相控制。同取向{111)<110>或{111}<112>类型滑移系的Schmid因子不同,因此在持久试验中取向旋转方向和非均匀变形程度也不相同。取向旋转较小的试样变形较均匀,高温和低温持久寿命均较高,而取向旋转较大的试样不均匀变形严重,持久寿命也较低。   ⑶微量元素的加入降低了合金热处理态试样高温持久性能的各向异性。枝晶间块状碳化物在高温蠕变过程中作为一种强化相可以提高合金蠕变抗力,但在偏离[001]取向30°以内时,由于靠近[001]和[001]-[111]边界一侧试样变形受多滑移控制,这时碳化物强化不明显,DD26和DD26C两种合金的持久寿命相当;当偏离[001]取向大于30°时,极图内部试样变形受单滑移控制时间较长,位错只能以Orowan绕过机制通过碳化物相,碳化物相对这一区域试样起到了明显的强化作用。然而,微量元素的加入不利于DD26合金铸态试样低温持久性能的各向异性。低温持久实验中碳化物作为一种脆性相容易成为主要裂纹源。在偏离[001]取向10°以内时,多个滑移系的开动可以提供良好的协调变形,这时草书体型碳化物具有一定的强化作用,因此DD26C合金的持久寿命要稍高于DD26合金;当取向偏离[001]大于10°,且位于极图内部时,单方向的位错极易塞积在碳化物周围,而且草书体型碳化物为裂纹提供了扩展通道,因此DD26C合金的持久寿命明显低于DD26合金。   ⑷热处理对DD26C合金的高温持久各向异性影响不大。热处理主要影响了合金枝晶轴和枝晶间γ’相的尺寸和形状,而在高温蠕变过程中,γ’相会形成筏状组织,从而减弱了热处理对合金组织的影响。热处理后,DD26C-HRS和DD26C-LMC合金枝晶干和枝晶间的γ’相的形貌和尺寸基本相同,而且粗大碳化物和残留共晶对持久性能的影响不显著。因此增大一次枝晶间距(PDAS)对DD26C合金热处理态试样高温持久性能各向异性影响不大。但是,增大PDAS加剧了DD26C合金铸态试样的低温持久各向异性。这主要是由于DD26C-HRS合金铸态试样枝晶间粗大的γ/γ’共晶和碳化物在较高应力下容易诱发裂纹,同时也容易成为裂纹扩展的通道。
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