一種鎳基單晶高溫合金蠕變激活能及應(yīng)力指數(shù)計(jì)算研究*

梁　爽，劉智鑫，王　剛，紀(jì)量博

(營口理工學(xué)院 機(jī)電工程系，遼寧 營口 115014)

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一種鎳基單晶高溫合金蠕變激活能及應(yīng)力指數(shù)計(jì)算研究*

梁爽，劉智鑫，王剛，紀(jì)量博

(營口理工學(xué)院 機(jī)電工程系，遼寧 營口 115014)

制備了一種含釕鎳基單晶高溫合金，并對其進(jìn)行高溫蠕變性能測試，在應(yīng)力為760～800 MPa，溫度為760～800 ℃的測試條件下，研究其表觀激活能及表觀應(yīng)力指數(shù)的計(jì)算方法。通過計(jì)算得到，表觀激活能Q=367.2 kJ/mol，表觀應(yīng)力指數(shù)n=13.3，表明所制備的鎳基單晶高溫合金在中溫高應(yīng)力條件下(760～800 ℃,760～800 MPa),蠕變期間的變形機(jī)制是位錯(cuò)在基體中滑移及位錯(cuò)切入γ′相。

鎳基單晶高溫合金；蠕變激活能；應(yīng)力指數(shù)；中溫高應(yīng)力

1　高溫合金蠕變概述

高溫合金零件在工作中的主要失效形式是蠕變失效，而并非機(jī)械故障失效[1]。所謂蠕變是指合金在一定應(yīng)力條件下(一般遠(yuǎn)小于屈服強(qiáng)度)緩慢的變形，其應(yīng)變速率非常小，一般為10-3～10-10/s。不同材料發(fā)生蠕變的溫度不同，有的材料在室溫下就可以發(fā)生蠕變，而金屬材料發(fā)生蠕變的溫度往往在0.3TM以上，高溫合金的蠕變溫度最低也要在0.56TM。

高溫合金的蠕變主要分為3個(gè)階段，即蠕變的初始階段、穩(wěn)態(tài)階段(也稱線性階段)和加速階段。在蠕變的初始階段，應(yīng)力突然增加，位錯(cuò)大量生成并在基體中滑移，此時(shí)蠕變速率很大，隨著位錯(cuò)不斷增加，以及它們之間的相互作用，形成位錯(cuò)塞積[2]，致使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力增大，蠕變速率降低，與此同時(shí)，隨著位錯(cuò)的滑移和攀移，高溫合金還會(huì)發(fā)生回復(fù)軟化，當(dāng)回復(fù)軟化與位錯(cuò)塞積形成的加工硬化達(dá)到平衡時(shí)，蠕變進(jìn)入到第2個(gè)階段；在穩(wěn)態(tài)階段的蠕變過程中，由于加工硬化與回復(fù)軟化保持平衡，蠕變速率恒定，應(yīng)變量與時(shí)間成正比例關(guān)系，所以該階段也稱為線性階段；隨著蠕變的不斷進(jìn)行，越來越多的位錯(cuò)聚集到γ′相附近，產(chǎn)生應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力集中達(dá)到一定程度，位錯(cuò)切入γ′相內(nèi)，使γ′相的變形抗力降低[3]，蠕變進(jìn)入第3個(gè)階段，即加速階段。

在研究高溫合金蠕變行為的過程中，表觀激活能和表觀應(yīng)力指數(shù)是2個(gè)重要參數(shù)[4]。表觀激活能的大小決定了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的難易程度，表觀激活能越大，位錯(cuò)越難以運(yùn)動(dòng)，材料的形變也就越難以進(jìn)行[5]。表觀應(yīng)力指數(shù)n是判斷材料蠕變機(jī)理的重要依據(jù)，對于鎳基單晶高溫合金而言，當(dāng)n=1時(shí)，元素的擴(kuò)散是合金的主要蠕變變形機(jī)制；當(dāng)n=3時(shí)，位錯(cuò)的滑移是合金的主要蠕變變形機(jī)制；當(dāng)3

本文通過對一種鎳基單晶高溫合金進(jìn)行蠕變激活能及應(yīng)力指數(shù)的計(jì)算，為鎳基單晶高溫合金蠕變行為的研究以及鎳基單晶高溫合金的成分設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

2　試驗(yàn)過程

在定向凝固爐中，將成分5.81%Al-7.33%Ta-3.42%Cr-6.05%Mo-3.76%Co-7%W-3.75%Ru的母合金制備成取向?yàn)閇001]的單晶試棒，其長度為300 mm，直徑為16 mm。單晶試棒的生長方向與[001]方向的偏差≤7%。對試棒進(jìn)行固溶及時(shí)效熱處理，熱處理工藝如下： 1 280 ℃×2 h+1 300 ℃×2 h+1 315 ℃×4 h，AC+1 080 ℃×6 h，AC+870 ℃×24 h，AC。經(jīng)完全熱處理后，將鎳基單晶高溫合金試棒制備成寬為4.5 mm、厚為2.5 mm和拉伸段長度為10 mm的工字型拉伸試件(見圖1)。將試件進(jìn)行打磨、拋光后，置于蠕變拉伸試驗(yàn)機(jī)中，對試件進(jìn)行蠕變拉伸試驗(yàn)。共進(jìn)行5組蠕變性能測試，試驗(yàn)條件分別為800 MPa，760 ℃、800 MPa，780 ℃、800 MPa，800 ℃、760 MPa，780 ℃和780 MPa，780 ℃。

圖1　拉伸蠕變試樣尺寸

3　結(jié)果與分析

3.1蠕變方程

當(dāng)鎳基單晶高溫合金蠕變進(jìn)入第2階段(穩(wěn)態(tài)蠕變階段)時(shí)，可以用Dorn方程[8-9]表示：

(1)

當(dāng)施加應(yīng)力恒定時(shí)，式1可推導(dǎo)為：

(2)

繼續(xù)推導(dǎo)可得表觀應(yīng)力指數(shù)與施加應(yīng)力的關(guān)系：

(3)

蠕變激活能為：

(4)

3.2蠕變曲線

分別在不同條件下對試件進(jìn)行蠕變性能測試，并繪制蠕變曲線(見圖2)。當(dāng)施加應(yīng)力為800 MPa，蠕變溫度分別為800、780和760 ℃時(shí)，合金的蠕變壽命分別為57、89和155 h，穩(wěn)態(tài)期間的應(yīng)變速率分別為0.047 6、0.038 2和0.017 4 %/h。當(dāng)蠕變溫度為780 ℃，施加應(yīng)力分別為780和760 MPa時(shí)，合金的蠕變壽命分別為161和189 h，穩(wěn)態(tài)期間的應(yīng)變速率分別為0.010和0.007 %/h。

圖2　合金在中溫高應(yīng)力條件下的蠕變曲線

通過圖2可以看到，合金在中溫高應(yīng)力條件下，蠕變的過程明顯分為3個(gè)階段。以條件為應(yīng)力800 MPa、溫度760 ℃的蠕變曲線為例，初始階段，位錯(cuò)在基體中滑移，應(yīng)變速率較高，隨著蠕變進(jìn)行，位錯(cuò)在基體中塞積，而由于加工硬化效果，蠕變速率迅速減小，15 h后曲線較為平緩，當(dāng)蠕變進(jìn)行到20 h，加工硬化與回復(fù)軟化達(dá)到平衡，進(jìn)入蠕變穩(wěn)態(tài)階段，此時(shí)蠕變曲線接近于一條直線，其斜率為穩(wěn)態(tài)應(yīng)變速率；穩(wěn)態(tài)階段大概持續(xù)到116 h，之后曲線開始變陡，應(yīng)變速率開始增大，說明合金強(qiáng)度開始降低，蠕變進(jìn)行到加速階段；140 h后，應(yīng)變速率幾乎垂直，應(yīng)變速率達(dá)到最大，此時(shí)位錯(cuò)切入到γ′相內(nèi)，使γ′相強(qiáng)化作用減弱，合金強(qiáng)度進(jìn)一步下降，直至155 h試件斷裂。

3.3激活能和應(yīng)力指數(shù)的計(jì)算

將合金蠕變穩(wěn)態(tài)階段的應(yīng)變速率帶入Dorn蠕變方程中，繪制在一定應(yīng)力條件下，應(yīng)變速率與蠕變溫度之間的關(guān)系，以及在一定溫度條件下，應(yīng)變速率與施加應(yīng)力之間的關(guān)系(見圖3)。計(jì)算得，合金在應(yīng)力為(800±20) MPa、溫度為(780±20) ℃條件下，蠕變穩(wěn)態(tài)階段的表觀激活能Q=367.2 kJ/mol，表觀應(yīng)力指數(shù)n=13.3。由于n>6，說明所設(shè)計(jì)的鎳基單晶高溫合金在中溫高應(yīng)力條件下(760～800 ℃,760～800 MPa),蠕變期間的變形機(jī)制是位錯(cuò)在基體中滑移及位錯(cuò)切入γ′相。

圖3　　　　合金在穩(wěn)態(tài)蠕變期間的應(yīng)變速率　　　與溫度及施加應(yīng)力之間的關(guān)系

4　討論

鎳基單晶高溫合金的強(qiáng)化機(jī)制主要有2種，即固溶強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化。雖然鎳基單晶高溫合金的組成元素非常多，成分復(fù)雜，但是其組織結(jié)構(gòu)相對簡單，γ′相以共格的方式鑲嵌在γ相中。

其固溶強(qiáng)化機(jī)制為γ相、γ′相自身的固溶強(qiáng)化，以及γ相、γ′相之間的沉淀強(qiáng)化效果。不同元素由于其擁有不同的尺寸會(huì)直接影響其在固體中的溶解度，固溶度大，其固溶強(qiáng)化效果較好；反之，則效果較差。雖然固溶度較大的元素對固溶強(qiáng)化有較好的增益效果，但大量添加固溶度較大的元素會(huì)增加TCP相的析出，從而影響合金的高溫強(qiáng)度。

對于鎳基單晶高溫合金而言，沉淀強(qiáng)化主要是位錯(cuò)和與質(zhì)點(diǎn)之間的交互作用。沉淀的形式有如下幾種。

1)強(qiáng)化γ′相與基體之間存在晶格錯(cuò)配度[8]，其產(chǎn)生的彈性應(yīng)變場對位錯(cuò)有阻礙作用。

2)當(dāng)γ′相硬度較差時(shí)，位錯(cuò)可以切入γ′相中(見圖4)，這對位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)起到阻礙運(yùn)動(dòng)；但大量的位錯(cuò)切入γ′相后，會(huì)造成應(yīng)力集中，從而降低γ′相的強(qiáng)度，促使高溫蠕變進(jìn)入加速階段，這也是鎳基單晶高溫合金在中溫高應(yīng)力條件下穩(wěn)態(tài)蠕變的變形機(jī)制，此時(shí)表觀應(yīng)力指數(shù)一般比較大。

圖4　位錯(cuò)切割第二相質(zhì)點(diǎn)的示意圖

3)Orowan機(jī)制。當(dāng)?shù)诙唳谩湎鄰?qiáng)度較高時(shí)，位錯(cuò)無法切入其中，這時(shí)位錯(cuò)可以通過交滑移、攀移的方式繞過γ′相質(zhì)點(diǎn)。位錯(cuò)通過此種方式運(yùn)動(dòng)會(huì)提高γ′相的屈服強(qiáng)度，其增加值為：

(5)

式中，G為彈性模量；b為柏氏矢量；Φ為柏氏矢量與位錯(cuò)線夾角的函數(shù)；λ為質(zhì)點(diǎn)間距；r為質(zhì)點(diǎn)的半徑。研究表明[9]，當(dāng)鎳基單晶高溫合金在高溫低應(yīng)力條件下進(jìn)行蠕變測試時(shí)，其穩(wěn)態(tài)蠕變階段的變形機(jī)制為Orowan機(jī)制。

5　結(jié)語

通過上述研究，得出結(jié)論如下。

1)當(dāng)施加應(yīng)力為800 MPa，蠕變溫度分別為800、780和760 ℃時(shí)，合金的蠕變壽命分別為57、89和155 h；穩(wěn)態(tài)期間的應(yīng)變速率分別為0.047 6、0.038 2和0.017 4 %/h。當(dāng)蠕變溫度為780 ℃，施加應(yīng)力分別為780和760 MPa時(shí)，合金的蠕變壽命分別為161和189 h；穩(wěn)態(tài)期間的應(yīng)變速率分別為0.010和0.007 %/h。

2)合金在應(yīng)力為(800±20) MPa、溫度為(780±20) ℃條件下，蠕變穩(wěn)態(tài)階段的表觀激活能Q=367.2 kJ/mol，表觀應(yīng)力指數(shù)n=13.3。由于n>6，說明本文所設(shè)計(jì)的鎳基單晶高溫合金在中溫高應(yīng)力條件下(760～800 ℃,760～800 MPa),蠕變期間的變形機(jī)制是位錯(cuò)在基體中滑移及位錯(cuò)切入γ′相。

[1] 國家發(fā)展和改革委員會(huì)高技術(shù)產(chǎn)業(yè)司，中國材料研究學(xué)會(huì).中國新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2006.

[2] 周瑞發(fā)，韓雅芳，李樹索.高溫結(jié)構(gòu)材料[M].北京：國防工業(yè)出版社,2006.

[3] 溫玉峰，孫堅(jiān)，黃健，等.鎳基合金廣義層錯(cuò)能的第一性原理研究[J].中國有色金屬學(xué)報(bào)，2011，21(7)：1664-1667.

[4] 郭建亭.高溫合金材料[M].北京：科學(xué)出版社，2008.

[5] 孟凡來，田素貴，于興福，等.鎳基單晶合金組織演化及對晶格錯(cuò)配度的影響[J].材料研究學(xué)報(bào)，2007，21(3)：225-229.[6] 張小彬，劉常升，呂俊英，等.鎳基高溫合金長期時(shí)效過程中第二相的析出[J].東北大學(xué)學(xué)報(bào)，2005,26(4)：253-256.[7] 孫飛，張建新.Ru對鎳基單晶高溫合金微觀組織的影響[J].材料熱處理學(xué)報(bào)，2011，32(10)：1-8.

[8] 孟凡來，田素貴，王明罡，等.單晶鎳基合金的組織演化及對晶 格錯(cuò)配度的影響[J]. 材料研究學(xué)報(bào). 2007，21(3)，225-229.

[9] 中國航空材料手冊編輯委員會(huì).中國航空材料手冊:第二卷[M].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002.

* 青年項(xiàng)目自然科學(xué)(QNL201513)

責(zé)任編輯馬彤

Apparent Activation Energy and Apparent Stress Exponent Calculate Research in the Nickel-based Single Crystal Superalloy

LIANG Shuang， LIU Zhixin， WANG Gang， JI Liangbo

(Yingkou Institute of Technology Department of Electrical and Mechanical Engineering, Yingkou 115014, China)

Through the measurement of creep properties within the temperature range of 760-800 ℃ and the stress range of 760-800 MPa of preparing the single crystal nickel-based superalloy containing of element Ru, the methods of calculating apparent creep activation energy and apparent stress exponent are researched. According to calculating the alloy in the ranges of the applied temperatures and stresses, the apparent creep activation energyQ= 367.2 kJ/mol and the apparent stress exponentn=13.3. The rusults show that the dislocations slipping in the matrix and shearing into the phase are the main deformation on mechanisms of the designed alloy at lower temperature and high stress(760-800 ℃, 760-800 MPa).

nickel-based single crystal superalloy， apparent activation energy， apparent stress exponent， lower temperature and high stress

TG 132.3

A

梁爽(1983-)，女，實(shí)驗(yàn)師，博士研究生，主要從事鎳基高溫合金等方面的研究。

2016-01-13