合金蠕變
關注創建者：匿名 創建時間：2022-01-25
合金蠕變的實例教程
鑄態下，Al-0.5Mn-0.02Si蠕變應力指數na為9~7，初始蠕變可以忽略，蠕變比純Al慢6-7個數量級，這與閾值應力的存在相一致。這一閾值應力歸因于Mn溶質原子與位錯的相互作用。L12強化的Al-0.5Mn-0.09Zr-0.05Er-0.05Si合金與無Mn強化的合金相比，其抗蠕變能力顯著增強。Al-0.5Mn-0.02Si合金時效形成的枝晶間α-Al(Mn,Fe)Si析出相使部分Mn從固溶中析出，閾值應力并沒有明顯增加。枝晶間α-析出相對Al-0.5Mn-0.09Zr-0.05Er-0.05Si合金的抗蠕變性能的影響較小。本文有助于高溫鋁合金的設計研究。
展開 在服役期間，γ'析出相發生定向粗化(筏化)，這對溫度和蠕變載荷有很強的依賴性。由于其在技術上的重要性，筏化在過去的幾十年里得到了廣泛的研究。由于鎳基高溫合金是研究擴散控制的相變、彈性和塑性之間的強耦合候選材料，筏化也成為了更多基礎研究的重點。大多數研究都集中在[100]定向單晶的蠕變特性上，因為[100]方向是單晶渦輪葉片的主應力方向，但是在葉片截面存在復雜冷卻過程時，其他方向上的應力可能也很大，因此有必要研究在更復雜的蠕變條件下的微觀組織演變和相關的力學行為。
法國洛林大學的研究人員使用3D和2D相場模擬研究了[110]蠕變載荷過程中鎳基高溫合金的組織演變，還研究了非均勻和各向異性對彈塑性驅動力的影響。相關論文以題為“Microstructure evolution under [110] creep in Ni-base superalloys”發表在Acta Materialia。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.116851
本研究使用了相場模型和先前開發的晶體可塑性模型。當塑性被限制在幾微米以下的區域時，它能夠解釋各向異性以及塑性的晶粒尺寸依賴性。它還包括針對滑行系統中位錯密度的
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-恢復定律和位錯之間短程相互作用的硬化矩陣。該模型用于說明蠕變條件下鎳基高溫合金的微觀結構演變。在接近[110]的拉伸載荷下，對鎳基高溫合金在蠕變過程中的組織形成和演變進行了三維模擬。從立方結構開始，模擬得出了棒狀析出物在恒定應力下沿[110]方向形成的微觀結構。
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最近，中科院金屬所沈陽分院的一篇論文為我們揭開了謎底，這一篇文章題目叫做：航空發動機單晶高溫合金葉片典型鑄造缺陷的全流程控制技術及應用 。
國產太行發動機價格比進口發動機昂貴
其中主要成就為：
復雜冷卻結構空心單晶葉片制備是困擾我國先進航空發動機裝機和定型的主要技術瓶頸之一。本項目針對單晶高溫合金葉片制備過程中出現的雜晶、小角晶界、取向偏離、再結晶和型殼反應等缺陷開展了全流程控制技術研究。
首先基于晶粒和枝晶競爭生長理論，提出了螺旋選晶器起始段和螺旋段的優選結構和優化工藝，將晶體取向偏離超標的廢品率從大于20%降低到小于1%。采用了在雜晶形成區預置晶核、主動控制該區域局部散熱條件以及抽拉速度等雜晶缺陷控制方法，使單晶葉片雜晶廢品率從大于90%降低到小于10%。闡明了小角晶界的形成機理是以枝晶偏轉方式形成，提出了通過控制單晶晶體取向偏離度減少小角晶界的新思路，將小角晶界的形成頻率從大于90%降低到小于30%。
看著不起眼的渦輪葉片，確實航空發動機最值錢也最難制造的零件
研究了再結晶對單晶高溫合金蠕變性能的影響；提出了減少單晶高溫合金葉片再結晶的方法，將單晶葉片再結晶廢品率從大于60%降到5%以下。提出了多項工程上行之有效的缺陷控制措施，發展了一套從模具設計到鑄件檢驗的單晶葉片全流程控制技術，不僅成功解決了我國多種單晶葉片從無到有的問題，還將實心單晶葉片的合格率從小于20%提高到75%以上，復雜空心單晶葉片的合格率從小于10%提高到50%以上，極大地促進了我國單晶葉片鑄造技術的進步，為我國多個新型航空發動機的研制提供了葉片保障。
展開 錸（Re）是一種能夠顯著提高高溫鎳基合金屈服強度的元素。但是，并沒有得到廣大研究者的認同。因為大部分人推測Re原子的空間分布不是隨機的，而是以納米團簇的形式出現，因此障礙位錯運動。與此同時，一些研究人員聲稱，無法通過使用三維（3D）原子探針斷層掃描（APT）或擴展的X射線吸收精細結構光譜找到高溫合金中的Re團簇。最近，在單晶高溫合金的界面位錯核心處，發現了Re偏析，伴隨著Co和Cr偏析。Re的偏析可能會引起界面位錯并阻礙它們的運動，從而提高超級合金的抗蠕變性。但是，在Ni基高溫合金中，Re原子的空間分布和“Re效應”的機制仍不清楚。
【成果簡介】
近日，中國浙江大學張澤院士團隊的李吉學教授、余倩教授、丁青青博士(文章第一作者)與美國賓夕法尼亞州立大學的Long-Qing Chen合作，采用了亞埃分辨透射電子顯微鏡（TEM）和能量色散X射線光譜（EDS）分析了鎳基單晶高溫合金中錸（Re）的分布。發現Re原子在界面位錯核心附近的拉應力區域分離，形成“Cottrell大氣”，偏析過程由位錯管擴散促進。原位透射電子顯微鏡和掃描電子顯微鏡（SEM）應變研究表明，沿相界分布Re的位錯網絡充當了機械壁，有效地阻止了位錯運動和裂紋擴展。同時，Re分離的程度可以通過熱處理來調節。理論分析表明，這種顯著的合金化效應主要來源于Re局部組分應變與位錯應變之間的相互作用，導致界面位錯網絡顯著穩定。此結果為理解鎳基高溫合金力學性能中Re效應的起源提供了新的視角，有利于提高Ni基高溫合金的蠕變性能和設計高性能的不含Re高溫合金。相關成果以“Re Segregation at Interfacial Dislocation Network in a Nickel-Based Superalloy”為題發表在Acta Materialia上。
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4 粉末高溫合金領域的基礎研究
4.1 粉末高溫合金蠕變機理研究
Li 等[48]采用不同的冷卻速率獲得了具有不同γ'相形貌特征的FGH96 合金，并運用三維原子探針(3DAP)技術對二次γ'相和三次γ'相的元素分布進行了系統研究。Peng 等[49~51]系統研究了不同γ'相形貌特征對粉末高溫合金合金蠕變性能的影響機理。
TCP脆性相通常富含Re和W等難熔元素，危害合金的抗蠕變性能，通過調控增材工藝或實施熱處理可以消除TCP相。
4.2 成形缺陷
4.2.1 熱裂紋
高Al+Ti含量(＞5%)鎳基單晶高溫合金的焊接性差，增材成形存在熱裂紋難題，主要包括凝固裂紋和液化裂紋2個方面[113]。
它能提高耐熱鋼電熱合金和高溫合金的抗蠕變性能。稀土元素也可以提高鋼的抗氧化性和抗腐蝕性。抗氧化性的效果超過硅、鋁、鈦等元素。它能改善鋼的流動性，減少非金屬夾雜，使鋼的組織致密、純凈。
普通低合金鋼中加入適當的稀土元素，有良好的脫氧去硫作用，提高沖擊韌性（特別是低溫韌性），改善各向異性性能。
美國西北大學的研究人員
探討了Mn改性Al-Zr-Er合金的蠕變行為，明確了Mn溶質原子在含L12納米析出相和α-Al-(Mn,Fe)Si析出相的高溫鋁合金中阻礙位錯蠕變過程中的作用，分析了Mn和L12納米析出相之間可能的相互作用及其對力學性能的影響。
在接近[110]的拉伸載荷下，對鎳基高溫合金在蠕變過程中的組織形成和演變進行了三維模擬。從立方結構開始，模擬得出了棒狀析出物在恒定應力下沿[110]方向形成的微觀結構。
它能提高耐熱鋼電熱合金和高溫合金的抗蠕變性能。
稀土元素也可以提高鋼的抗氧化性和抗腐蝕性。抗氧化性的效果超過硅、鋁、鈦等元素。它能改善鋼的流動性，減少非金屬夾雜，使鋼組織致密、純凈。
普通低合金鋼中加入適當的稀土元素，有良好的脫氧去硫作用，提高沖擊韌性（特別是低溫韌性），改善各向異性性能。
試驗表明，Al-Cu-Mg-Ag合金的蠕變性能優于商用2000系列合金。在未時效狀態下，一種合金(Al-5.6Cu-0.45Mg-0.4Ag-0.3Mn-0.18Zr)在130°C和200 MPa應力下暴露20000h后顯示出零二次蠕變。
同時，因鋅合金本身的蠕變問題，長期熱環境下使用后，此零件會伸長，其加劇了沖擊位移過高的問題。
鋅合金材質，在0.46mm位移下，能承受的極限沖擊力為351N。
零件的銷釘處固定時，卡位處應力最大，達244Mpa，其次銷釘固定處。
零件的卡位處固定時，依舊是卡位處應力最大達286Mpa，其次銷釘固定處。
故沖擊時，主要為卡位處出現破裂。
藍色線是美國波音客機GEnx引擎中的合金(簡稱4822合金)的蠕變抗力，紅線是陳教授的PST鈦鋁單晶，線條往上翹就表示掛了。解讀一下：
100MPa蠕變應力：4822不到100小時就掛了，PST超過了800小時還沒掛，看趨勢不知道多久會掛。
150MPa蠕變應力：4822抗了5個多小時，PST抗了350小時。
