【摘要】：鎳基單晶高溫合金以其優(yōu)異的高溫力學(xué)性能、抗氧化和蠕變性能及良好的組織穩(wěn)定性,被廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)中渦輪葉片的制備。為了滿足高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)日益嚴(yán)苛的設(shè)計(jì)需求,鎳基單晶高溫合金中加入了大量的難熔元素,大大提高了合金的抗蠕變性能,但過(guò)量的合金元素的加入會(huì)促使脆性的拓?fù)涿芏?TCP)相的生成,TCP相的析出會(huì)損耗大量的合金元素,影響基體的固溶強(qiáng)化效果,同時(shí)TCP相貫穿γ、γ'相,成為裂紋的發(fā)源地及擴(kuò)展通道,嚴(yán)重影響了鎳基單晶高溫合金的高溫力學(xué)性能及發(fā)動(dòng)機(jī)的服役壽命。因此,TCP相的存在一直制約著單晶高溫合金乃至航空發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展,但合金元素對(duì)TCP相的作用機(jī)制、TCP相的內(nèi)部特征等等一系列問(wèn)題至今仍存在爭(zhēng)議。同時(shí),在鎳基單晶高溫合金制作的渦輪葉片服役過(guò)程中,位錯(cuò)貫穿始終,在鎳基單晶高溫合金的蠕變初期,位錯(cuò)首先在γ相中生成(初生位錯(cuò)),γ相是典型的fcc結(jié)構(gòu),共含有12個(gè)a/2110{111}滑移系。隨后在施加的應(yīng)力和γ/γ'界面處錯(cuò)配應(yīng)力的共同作用下,不同滑移系的位錯(cuò)發(fā)生反應(yīng),形成γ/γ'界面位錯(cuò)網(wǎng),界面位錯(cuò)網(wǎng)成功阻礙了位錯(cuò)進(jìn)一步向γ'相移動(dòng),從而提高合金的蠕變性能。在材料的析出強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化和第二相粒子強(qiáng)化等四種強(qiáng)化方式中,位錯(cuò)強(qiáng)化的作用越來(lái)越凸顯出來(lái)。本論文結(jié)合電子顯微學(xué)與計(jì)算材料學(xué),系統(tǒng)研究了鎳基單晶高溫合金中TCP相和位錯(cuò)的系列問(wèn)題,具體內(nèi)容如下:(1)通過(guò)對(duì)5Cr0Ru和5Cr3Ru合金及4Mo0Ru和4Mo3Ru合金的掃描結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果表明Ru元素可以有效抑制TCP相的形核,減少TCP相的數(shù)量,但并不能有效抑制TCP相的長(zhǎng)大。TCP相長(zhǎng)大過(guò)程中Re、Cr、W等合金元素逐漸在生長(zhǎng)前端富集,但Co元素的含量分布幾乎與位置無(wú)關(guān)。采用第一性原理計(jì)算方法研究了 Re原子與Cr原子之間的相互作用關(guān)系,結(jié)果表明當(dāng)Re元素與Cr元素之間的距離為a(基體晶格常數(shù))時(shí),系統(tǒng)最穩(wěn)定,并且Re原子與Cr原子之間存在擴(kuò)散順序,Re原子很容易擴(kuò)散到Cr原子周?chē)?但Cr原子很難擴(kuò)散到Re原子周?chē)�。除此之�?采用第一性原理計(jì)算方法研究了 Re、Cr、Zr三種元素在μ相Co7Mo6中的擇優(yōu)占位情況,結(jié)果表明Re原子替代Co7Mo6中的Mo原子時(shí),其與基體原子的鍵合能力增強(qiáng),系統(tǒng)更加穩(wěn)定。(2)利用高分辨電鏡研究了 σ相與基體之間的界面關(guān)系,發(fā)現(xiàn)σ相與基體存在一定的取向關(guān)系:[001]γ/[112]σ,(110)γ//(110)σ,(110)γ//(111)aσ該 σ 相與基體的界面呈臺(tái)階狀,兩臺(tái)階面分別為(110)γ//(110)σ和(110)//(111)σ,且臺(tái)階面(I 10)γ//(111)σ的長(zhǎng)度大于(11))//(110)σ,這是由于臺(tái)階面(110)//(111)σ上兩相的畸變量遠(yuǎn)小于(110)γ//(110)σ。(3)μ相在生長(zhǎng)尖端存在大量層狀襯度,經(jīng)鑒定為在(001)面的面缺陷,HAADF-STEM結(jié)果表明這些面缺陷主要包括兩種,一種是以Zr4Al3結(jié)構(gòu)在1/2高度處的原子面為孿晶面的孿晶結(jié)構(gòu),它是由通過(guò)MgCu2結(jié)構(gòu)的中間層原子沿[110]方向切變生成的;另一種面缺陷為兩Zr4Al3結(jié)構(gòu)成鏡面對(duì)稱的層錯(cuò),是通過(guò)抽出一層MgCu2結(jié)構(gòu)形成的。R相中也存在孿晶,孿生面為(111)面,孿晶疇的寬度比μ中的要寬,TCP相中的面缺陷存在原因?yàn)閰f(xié)調(diào)與基體的畸變。Laves相中的C36在一定條件下會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)镻相,Laves相的每一個(gè)斑點(diǎn)都和P相的斑點(diǎn)重合,且兩者成分完全一致,為T(mén)CP相的內(nèi)部轉(zhuǎn)化提供了便利條件。(4)通過(guò)對(duì)位錯(cuò)的高分辨圖像的分析發(fā)現(xiàn),由于(111)半原子的缺失,原子排列發(fā)生了變化,在完美晶體中[101]晶向上原子按照ABAB順序排列,由于(111)半原子面的缺失會(huì)形成AA或BB原子對(duì),另外,沿著[110]晶向的原子不能再排列在一條直線上,而是在半原子面位置處發(fā)生曲折,該位錯(cuò)的柏氏矢量方向?yàn)閇i 01],柏氏矢量b=a/2[101],其在(110)面的分量為刃型位錯(cuò),且b1=a/6[112]。用Y.Mishin提出的EAM勢(shì)函數(shù)來(lái)計(jì)算和分析Ni3Al中刃型位錯(cuò)芯部結(jié)構(gòu)的原子排布及其周?chē)膽?yīng)力分布,與完美晶體相比,位錯(cuò)芯周?chē)脑臃植际遣灰?guī)則的,位錯(cuò)芯部左右兩側(cè)的原子層向中間靠攏,并且由于原子半平面的缺失,沿著[110]方向,大約有八層原子偏離其平衡位置。這些結(jié)果表明,位錯(cuò)具有管狀影響區(qū)域,與高分辨圖像的分析結(jié)果相符。通過(guò)應(yīng)力分析,可以發(fā)現(xiàn)邊緣位錯(cuò)應(yīng)力場(chǎng)中存在正應(yīng)力和切應(yīng)力分量,正應(yīng)力主要集中在位錯(cuò)線的兩側(cè),而切應(yīng)力距位錯(cuò)線幾個(gè)埃距離,這項(xiàng)工作為進(jìn)一步的位錯(cuò)研究提供了有效的理論依據(jù)。(5)采用第一性原理方法系統(tǒng)研究了難熔元素在位錯(cuò)芯部的分布規(guī)律,結(jié)果表明合金原子引入到位錯(cuò)芯中對(duì)系統(tǒng)的能量和電子結(jié)構(gòu)有巨大的影響。能量的計(jì)算結(jié)果表明Re原子更傾向于占據(jù)A1位置,特別是中心-A1系統(tǒng)的中心位置,從馬利肯軌道布局?jǐn)?shù)的結(jié)果可以看出,當(dāng)Re原子占據(jù)中心-A1體系的中心位置時(shí),Re原子和它的最近鄰基體原子可以得到更多的電子,這意味著Re原子和它的最近鄰基體原子之間出現(xiàn)更多的共振峰。因此,我們可以得出結(jié)論,當(dāng)Re原子占據(jù)中心-A1體系的中心位置時(shí),由于Re-5d和Ni-3d軌道的雜化,Re原子與其最近鄰基體原子之間的相互作用增強(qiáng),系統(tǒng)更加穩(wěn)定,這些結(jié)果為理解Re原子對(duì)阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的機(jī)制提供了理論基礎(chǔ)。
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TG132.3
【圖文】：

航空發(fā)動(dòng)機(jī)是航天飛機(jī)的心臟，是展現(xiàn)國(guó)家科技、國(guó)防和工業(yè)實(shí)力的重要標(biāo)逡逑志，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪葉片所處的服役環(huán)境及其惡劣，溫度較高，應(yīng)力復(fù)雜，如逡逑圖１－１所示，發(fā)動(dòng)機(jī)中的高壓渦輪葉片距離燃燒室最近，承受著燃燒室流入的高逡逑溫燃?xì)猓惺軠囟容^高［１］，且葉片各處承受溫度不－致，圖１－２中的渦輪葉片橫逡逑截溫度場(chǎng)的模擬結(jié)果給出／渦輪葉片承受溫度的具體數(shù)值［２］，從圖中T以看出葉逡逑片服役過(guò)程中與渦輪盤(pán)接觸處溫度最高，可達(dá)Ｕ00°Ｃ，而冷卻孔Ｐ２、Ｐ４和Ｐ７逡逑處溫度較低，僅為７００°Ｃ－８００°Ｃ，最高溫差ｎ丨到４５０°Ｃ，但此處承受碼力最高，逡逑最高ｎＨｉ邋６００Ｍｐａ邋（闡１－３）。并Ｒ發(fā)動(dòng)機(jī)／Ｅ服役過(guò)程中所受的溫度及壓力會(huì)發(fā)生逡逑變化，如飛機(jī)在起飛過(guò)程屮，渦輪葉片只受單純熱應(yīng)力作用，而在降落過(guò)程中，逡逑渦輪葉片受熱應(yīng)力和離心力的N<同作用［２］，由此可知葉片所處溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)較逡逑為復(fù)雜［Ｍ］，除此之外，燃?xì)庵械碾s質(zhì)還會(huì)使葉片發(fā)生腐蝕［５＇６］。逡逑W'氣機(jī)燃：—

本文編號(hào)：2785315