CN111027198B - 考虑拓扑密排相演化的镍基单晶合金蠕变寿命预测方法 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及材料技术领域，提供了一种考虑拓扑密排相演化的镍基单晶合金蠕变寿命预测方法。所述考虑拓扑密排相演化的镍基单晶合金蠕变寿命预测方法包括：根据镍基单晶合金中拓扑密排相体积分数确定所述镍基单晶合金的屈服强度；根据所述屈服强度预测所述镍基单晶合金的蠕变寿命。本公开能够提高蠕变寿命预测的准确性。

Description

考虑拓扑密排相演化的镍基单晶合金蠕变寿命预测方法
技术领域
本公开涉及材料技术领域，尤其涉及一种考虑拓扑密排相演化的镍基单晶合金蠕变寿命预测方法。
背景技术
镍基单晶合金在高温下具备优异的蠕变、疲劳及抗氧化等力学性能，被广泛地应用于航空发动机涡轮叶片的制造。
在使用过程中，常常需要对镍基单晶合金的蠕变寿命进行预测。然而，现有的蠕变寿命预测过程中，仅仅考虑孔洞损伤，对于硬质脆性拓扑密排相的影响不予关注，导致预测结果不准确。
需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
本公开的目的在于提供一种考虑拓扑密排相演化的镍基单晶合金蠕变寿命预测方法，能够提高蠕变寿命预测的准确性。
根据本公开的一个方面，提供一种考虑拓扑密排相演化的镍基单晶合金蠕变寿命预测方法，包括：
根据镍基单晶合金中拓扑密排相体积分数确定所述镍基单晶合金的屈服强度；
根据所述屈服强度预测所述镍基单晶合金的蠕变寿命。
在本公开的一种示例性实施例中，根据镍基单晶合金中拓扑密排相体积分数确定所述镍基单晶合金的屈服强度包括：
确定镍基单晶合金的屈服强度随所述镍基单晶合金中拓扑密排相体积分数的变化关系式；
根据所述变化关系式与所述镍基单晶合金中拓扑密排相体积分数确定所述镍基单晶合金的屈服强度。
在本公开的一种示例性实施例中，根据所述屈服强度预测所述镍基单晶合金的蠕变寿命包括：
根据所述屈服强度确定临界分切应力；
根据所述临界分切应力预测所述镍基单晶合金的蠕变寿命。
在本公开的一种示例性实施例中，根据所述临界分切应力预测所述镍基单晶合金的蠕变寿命包括：
根据所述临界分切应力与蠕变损伤关系式预测所述镍基单晶合金的蠕变寿命，所述蠕变损伤关系式为：
Figure BDA0002301077320000021
Figure BDA0002301077320000022
Figure BDA0002301077320000023
其中，α为滑移系，n为应力指数，ω为拓扑密排相对材料实时的损伤，ω(α)为滑移系损伤，
Figure BDA0002301077320000024
为蠕变剪切应变率，
Figure BDA0002301077320000025
为稳态蠕变率，
Figure BDA0002301077320000026
为初始蠕变剪切应变率，
Figure BDA0002301077320000027
为初始损伤率，
Figure BDA0002301077320000028
为滑移系损伤率，τc为临界分切应力，τ(α)为滑移系分切应力，χ和φ为与温度相关的参数，β为常数，tf为蠕变寿命，N为一个滑移系下的滑移面开动方向的个数。
在本公开的一种示例性实施例中，所述
Figure BDA0002301077320000029
为10。
在本公开的一种示例性实施例中，所述β为2.5。
在本公开的一种示例性实施例中，所述滑移系为八面体滑移系或十二面体滑移系。
在本公开的一种示例性实施例中，所述N为12。
在本公开的一种示例性实施例中，所述滑移系为六面体滑移系。
在本公开的一种示例性实施例中，所述N为6。
本公开的考虑拓扑密排相演化的镍基单晶合金蠕变寿命预测方法，根据镍基单晶合金中拓扑密排相体积分数确定镍基单晶合金的屈服强度，并根据该屈服强度预测镍基单晶合金的蠕变寿命。由于本公开的屈服强度是根据拓扑密排相体积分数确定，从而提高了蠕变寿命预测的准确性。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。
附图说明
通过参照附图来详细描述其示例性实施例，本公开的上述和其它特征及优点将变得更加明显。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本公开实施方式的考虑拓扑密排相演化的镍基单晶合金蠕变寿命预测方法的流程图；
图2为本公开实施方式的考虑拓扑密排相演化的镍基单晶合金蠕变寿命预测方法中步骤S110的流程图；
图3为本公开实施方式的考虑拓扑密排相演化的镍基单晶合金蠕变寿命预测方法中步骤S120的流程图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施例使得本公开将全面和完整，并将示例实施例的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而没有所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法等。
此外，附图仅为本公开的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。用语“一”和“该”用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等；用语“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等。
相关技术中，元素Re是提高镍基单晶合金承温能力的关键性元素，能够显著提升航空发动机工作温度从而提高推重比。3wt.％的元素Re和6wt.％的元素Re几乎是第二代和第三代单晶合金的主要特征和区别。元素W是镍基单晶合金中的重要元素。随着镍基单晶合金中元素Re和元素W含量的增加，镍基单晶合金在服役期间会发生元素Re和元素W的偏聚，增加析出σ、μ、P或者R等拓扑密排相的倾向，特别是在长时蠕变条件下，拓扑密排相的析出更为严重。其中，拓扑密排相的析出是蠕变微裂纹的主要萌生位置，显著降低蠕变寿命。现有的考虑拓扑密排相演化的镍基单晶合金蠕变寿命预测方法只考虑孔洞损伤，对于拓扑密排相夹杂的影响不予关注。
为了解决上述问题，本公开实施方式提供一种考虑拓扑密排相演化的镍基单晶合金蠕变寿命预测方法。如图1所示，该考虑拓扑密排相演化的镍基单晶合金蠕变寿命预测方法可以包括步骤S110和步骤S120，其中：
步骤S110、根据镍基单晶合金中拓扑密排相体积分数确定镍基单晶合金的屈服强度。
步骤S120、根据屈服强度预测镍基单晶合金的蠕变寿命。
本公开实施方式的考虑拓扑密排相演化的镍基单晶合金蠕变寿命预测方法，根据镍基单晶合金中拓扑密排相体积分数确定镍基单晶合金的屈服强度，并根据该屈服强度预测镍基单晶合金的蠕变寿命。由于本公开的屈服强度是根据拓扑密排相体积分数确定，从而提高了蠕变寿命预测的准确性。
下面对本公开实施方式的步骤进行详细说明：
在步骤S110中，根据镍基单晶合金中拓扑密排相体积分数确定镍基单晶合金的屈服强度。
举例而言，如图2所示，该步骤S110可以包括步骤S1101和步骤S1102，其中：
步骤S1101、确定镍基单晶合金的屈服强度随镍基单晶合金中拓扑密排相体积分数的变化关系式。
本公开通过金属拉伸蠕变及持久试验方法(GB/T2039-1997)对镍基单晶合金进行蠕变性能测试，以确定上述的变化关系式。具体地，本公开提供多个镍基单晶合金试样，使每个镍基单晶合金试样持续不同的试验时间，并确定每个镍基单晶合金试样的拓扑密排相体积分数以及屈服强度，进而可以确定镍基单晶合金的屈服强度随镍基单晶合金中拓扑密排相体积分数的变化关系式。其中，本公开可以采用扫描电子显微镜对每个镍基单晶合金试样的拓扑密排相进行观测，以确定拓扑密排相体积分数。每个镍基单晶合金试样的断口由线切割机制备，经机械研磨抛光后，采用包含17wt.％的HNO3、33wt.％的HF以及50wt.％的甘油的溶液对横截面进行腐蚀，接着在扫描电子显微镜下观测拓扑密排相。
步骤S1102、根据变化关系式与镍基单晶合金中拓扑密排相体积分数确定镍基单晶合金的屈服强度。
确定待进行寿命预测的镍基单晶合金中拓扑密排相体积分数，并根据上述的变化关系式确定待进行寿命预测的镍基单晶合金的屈服强度。
在步骤S120中，根据屈服强度预测镍基单晶合金的蠕变寿命。
举例而言，如图3所示，该步骤S120可以包括步骤S1201和步骤S1202，其中：
步骤S1201、根据屈服强度确定临界分切应力。
其中，屈服强度是临界分切应力的
Figure BDA0002301077320000051
倍。
步骤S1202、根据临界分切应力预测镍基单晶合金的蠕变寿命。
本公开可以根据临界分切应力与蠕变损伤关系式预测镍基单晶合金的蠕变寿命，该蠕变损伤关系式为：
Figure BDA0002301077320000052
Figure BDA0002301077320000053
Figure BDA0002301077320000054
上述的蠕变损伤公式中，α为滑移系，n为应力指数，ω为拓扑密排相对镍基合金单晶材料实时的损伤，ω＝0代表原始材料没有损伤，ω＝1代表材料断裂时的损伤值，ω0为初始损伤，ω(α)为滑移系损伤，
Figure BDA0002301077320000061
为蠕变剪切应变率，
Figure BDA0002301077320000062
为稳态蠕变率，
Figure BDA0002301077320000063
为初始蠕变剪切应变率，
Figure BDA0002301077320000064
为初始损伤率，
Figure BDA0002301077320000065
为滑移系损伤率，τc为临界分切应力，τ(α)为滑移系分切应力，χ和φ为与温度相关的参数，β为常数，tf为蠕变寿命，N为一个滑移系下的滑移面开动方向的个数。对于原始材料，上述的ω0等于0。上述的
Figure BDA0002301077320000066
为10，上述的β为2.5。对于八面体滑移系(Oct1,<110>[111])与十二面体滑移系(Oct2,<112>[111])，上述的N为12；对于六面体滑移系(Cub,<110>[100])，上述的N为6。
拓扑密排相的出现将使蠕变过程中产生的筏排结构中断，在解筏时产生的微裂纹使有效受力面积减小，因此可假定该损伤与拓扑密排相体积分数成正比。根据镍基合金材料断裂时总损伤值为1，则当拓扑密排相体积分数为
Figure BDA0002301077320000067
时，其带来的实时损伤ω可定义为：
Figure BDA0002301077320000068
上述
Figure BDA0002301077320000069
为断裂时的拓扑密排相体积分数，
Figure BDA00023010773200000610
随镍基单晶单晶合金中元素Re含量的增加而增加，对于具有6wt.％元素Re的第三代镍基单晶合金，
Figure BDA00023010773200000611
值约为0.03-0.05。
本公开在根据临界分切应力与蠕变损伤关系式预测镍基单晶合金的蠕变寿命的过程中，还引入了本构方程，该本构方程为：
Figure BDA00023010773200000612
该本构方程中，Ce为各向异性弹性张量，可用矩阵形式表达：
Figure BDA00023010773200000613
对于镍基单晶合金材料，C11,C12和C44为三个独立的弹性常数，与弹性模量E、泊松比μ及剪切模量G相关。该本构方程可以根据蠕变时间-应变曲线确定。
此外，根据上述的蠕变损伤方程和本构方程，通过ABAQUS对一呈工字型平板结构的镍基单晶合金试样进行有限元计算，得到该试样在不同条件下的蠕变时间-应变曲线；同时，通过试验测量该试样在不同条件下的蠕变时间-应变曲线，并与上述有限元计算所得的蠕变时间-应变曲线比较，两个曲线的寿命误差小于5％。
本领域技术人员在考虑说明书及实践后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由所附的权利要求指出。

Claims (7)

1.一种考虑拓扑密排相演化的镍基单晶合金蠕变寿命预测方法，其特征在于，包括：
确定所述镍基单晶合金的屈服强度随所述镍基单晶合金中拓扑密排相体积分数的变化关系式；
根据所述变化关系式与所述镍基单晶合金中拓扑密排相体积分数确定所述镍基单晶合金的屈服强度；
根据所述屈服强度确定临界分切应力；
根据所述临界分切应力与蠕变损伤关系式预测所述镍基单晶合金的蠕变寿命，所述蠕变损伤关系式为：
Figure FDA0003527907250000011
Figure FDA0003527907250000012
Figure FDA0003527907250000013
其中，α为滑移系，n为应力指数，ω为所述拓扑密排相对材料实时的损伤，ω(α)为滑移系损伤，
Figure FDA0003527907250000014
为蠕变剪切应变率，
Figure FDA0003527907250000015
为稳态蠕变率，
Figure FDA0003527907250000016
为初始蠕变剪切应变率，
Figure FDA0003527907250000017
为初始损伤率，
Figure FDA0003527907250000018
为滑移系损伤率，τc为所述临界分切应力，τ(α)为滑移系分切应力，χ和φ为与温度相关的参数，β为常数，tf为蠕变寿命，N为一个滑移系下的滑移面开动方向的个数；
当所述拓扑密排相体积分数为
Figure FDA0003527907250000019
时，实时损伤ω为：
Figure FDA00035279072500000110
其中，
Figure FDA00035279072500000111
为断裂时的所述拓扑密排相体积分数，
Figure FDA00035279072500000112
随镍基单晶合金中元素Re含量的增加而增加，对于具有6wt.％元素Re的镍基单晶合金，
Figure FDA00035279072500000113
值为0.03-0.05。
2.根据权利要求1所述的考虑拓扑密排相演化的镍基单晶合金蠕变寿命预测方法，其特征在于，所述
Figure FDA00035279072500000114
为10。
3.根据权利要求1所述的考虑拓扑密排相演化的镍基单晶合金蠕变寿命预测方法，其特征在于，所述β为2.5。
4.根据权利要求1所述的考虑拓扑密排相演化的镍基单晶合金蠕变寿命预测方法，其特征在于，所述滑移系为八面体滑移系或十二面体滑移系。
5.根据权利要求4所述的考虑拓扑密排相演化的镍基单晶合金蠕变寿命预测方法，其特征在于，所述N为12。
6.根据权利要求1所述的考虑拓扑密排相演化的镍基单晶合金蠕变寿命预测方法，其特征在于，所述滑移系为六面体滑移系。
7.根据权利要求6所述的考虑拓扑密排相演化的镍基单晶合金蠕变寿命预测方法，其特征在于，所述N为6。
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