CN112562798A - 一种镍基高温合金持久性能归一化模型及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明镍基高温合金持久性能归一化模型属于工业技术‑金属材料，提供一种镍基高温合金持久性能归一化方法，具体步骤为：建立镍基高温合金的持久性能归一化模型；获取镍基高温合金温度、应力与持久寿命的数据集；将步骤一所得的数据集进行计算得出合金持久特征参数；将步骤三中所得合金持久特征参数代入镍基高温合金的持久性能归一化模型中，计算得到持久应力。建立了获得模型中持久性能特征参数的方法，可对镍基铸造合金持久性能归一化。归一化模型和持久特征参数不仅可描述持久合金性能，及持久应力退化规律，还可利用探索成分对合金持久性能的影响规律，为材料研究提供成分调整方向，为材料基因研究、器件设计和使用安全性提供评价方法。
Description
技术领域
本发明涉及工业技术-金属材料，特别提供一种镍基高温合金持久性能归一化模型及方法。
背景技术
高温合金广泛应用于航空、航天和电力系统，在国民经济和国防建设中发挥着重要作用。特别是我国目前正在发展的燃气轮机使用寿命8万小时以上，而高温合金持久性能是合金使用可靠性的重要依据。虽然材料测量数据较多，但对于材料使用范围广，使用条件差异大，难于满足零件设计和使用安全评估对数据的要求。
目前高温合金数据主要靠实验获得，持久性能规律描述主要为同一温度下的应力-寿命曲线，及应力与
的Larson-Mill曲线关系。为了使钢持久数据能够归一化，“J.Bolton,Reliable analysis and extrapolation of creep rupturedata,International Journal of Pressure Vessels and Piping,Volume 172,May2019,Pages 348-359”及“J.Bolton,Reliable analysis and extrapolation of creeprupture data,International Journal of Pressure Vessels and Piping,Volume 157,November 2017,Pages 1-19”中J.Bolton采用了不同数据模型，参见表1和图1，可见数据模型及参量不统一。其它数据处理主要集中在多次密的计算模拟，很难展示σ-t-T三者关系。目前数据处理方法不利于了解材料总体性能变化规律，不能全面了解合金的持久性能变化规律关系式，不利于建立材料间性能变化规律研究。
为了探索材料基因影响，目前国内外广泛开展材料基因研究，计算模拟技术飞速发展，但对于材料本质规律的探索方法鲜于报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种镍基高温合金持久性能归一化方法，并建立镍基高温合金持久性能归一化模型。其中的持久特征参数不仅表述了合金持久性能，还可描述持久应力退化与温度和时间的关系，探索成分对合金持久性能参数的影响规律，为材料研究提供成分调整方向，对于材料基因研究意义重大。该技术适用于材料研究、设计、选材和材料使用可靠性评估等领域。
本发明技术方案如下：
一种镍基高温合金的持久性能归一化模型，所述模型为：
其中：i为合金种类；j为温度范围；σ为持久应力，MPa；t为持久寿命，h；T为持久温度，K；合金持久特征参数：a、b、c、A，其中a为参数一；b为参数二；c为参数三；A为参数四。
本发明还提供了一种镍基高温合金持久性能归一化方法，具体步骤为：
步骤一：建立镍基高温合金的持久性能归一化模型；
步骤二：获取镍基高温合金温度、应力与持久寿命的数据集；
步骤三：将步骤二所得的数据集进行计算得出合金持久特征参数；
步骤四：将步骤三中所得合金持久特征参数代入镍基高温合金的持久性能归一化模型中，计算得到持久应力。
进一步地，获得步骤二中所述的数据集方法为：对某一镍基高温合金在600-900℃选择选择3个以上温度，在900-1100℃中选择3个以上温度，其中每个温度选择5个以上应力进行持久测试，从而获得步骤二中所述的镍基高温合金
应力与lnt的数据集。
进一步地，获得步骤三中所述合金持久特征参数的方法为：
a)对步骤二中获得各温度下应力与lnt做图，获得各温度下直线关系斜率k和截距d；
b)将斜率k与
的关系作图，划分两者近似直线关系的温度范围，分别求出对应温度范围内斜率k与
线性关系的斜率c和截距b；其中，斜率c为参数三，截距b为参数二；
c)将截距d与
的关系作图，划分两者近似直线关系的温度范围，分别求出对应温度范围内截距d与
线性关系的斜率a和截距A；其中，斜率a为参数一，截距A为参数四。
进一步地，合金持久特征参数能够描述合金持久性能，合金持久特征参数数值越高，持久性能越高；
合金持久特征参数还能够描述持久性能随温度、时间退化规律。
进一步地，步骤四中得到的计算持久应力与试验应力呈线性关系。
进一步地，所述方法适用于国内外现有可获得足够数据的铸造镍基高温合金，多晶、定向和单晶高温合金；尤其在成分范围为(重量含量百分数)：5-24Cr，0-20Co，0-11W，0-9Mo，0-5Re，0-7Al，0-6Ti，0-9Ta，0-3Nb，余量Ni的合金中获得验证。
本发明的有益效果为：
其一，本发明建立了一种镍基高温合金持久性能归一化表述模型，辅以镍基高温合金温度、应力和时间条件下的性能数据，获得相应镍基高温合金持久性能特征参数，即持久应力随温度、时间及温度-时间复合作用下的变化系数。这些特征参数不仅表述了对应合金持久性能，即参数值越高，持久性能越好，还反映持久性能退化与温度和时间的关系。
其二，本发明利用归一化参数，更可探索成分对合金持久性能参数的影响规律研究，为材料研究提供成分调整方向，方便器件设计人员获得材料持久性能数据，为材料使用安全性提供评价方法。该技术适用于材料研究、设计、选材和材料使用可靠性评估等领域。
附图说明
图1 11％CrMoVNb钢550℃BTA-NID模型参数的中值持久数据。
图2 DD426单晶合金持久性能归一化计算与试验值对应关系；其中，(a)线性关系，(b)误差。
图3 DZ411定向合金持久性能归一化计算与试验值对应关系；其中，(a)线性关系，(b)误差。
图4 K438多晶合金持久性能归一化计算与试验值对应关系；其中，(a)线性关系，(b)误差。
图5单晶合金持久特征参数c与元素含量的关系。
图6单晶合金持久特征参数a与元素含量的关系。
图7单晶合金持久特征参数b与元素含量的关系。
图8单晶合金持久特征参数A与元素含量的关系。
图9定向合金持久特征参数c与元素含量的关系；其中，(a)600-900℃，(b)900-1100℃。
图10定向合金持久特征参数a与元素含量的关系；其中，(a)600-900℃，(b)900-1100℃。
图11定向合金持久特征参数b与元素含量的关系；其中，(a)600-900℃，(b)900-1100℃。
图12定向合金持久特征参数A与元素含量的关系；其中，(a)600-900℃，(b)900-1100℃。
图13多晶合金900℃以下持久特征参数c与元素含量的关系。
图14多晶合金900℃以下持久特征参数a与元素含量的关系。
图15多晶合金900℃以下持久特征参数b与元素含量的关系。
图16多晶合金900℃以下持久特征参数A与元素含量的关系。
具体实施方式
实施例1
本发明采用单晶高温合金DD426成分范围见表1.1，进行持久试验数据采集，在600-900℃选择选择3个以上温度，在900-1100℃中选择3个以上温度。各温度范围选择5个以上应力进行持久测试，获得数据集见表1.2。
表1.1 DD426单晶合金成分范围(wt％)，余量Ni
| 成分 | Cr | Co | W | Mo | Al | Ti | Nb | C |
| 范围 | 4.3-5.6 | 8-10 | 10.9-12.5 | 0.8-1.4 | 5.65-6.25 | 0.9-1.3 | 1.2-1.6 | 0.12-0.18 |
表1.2 DD426单晶合金持久性能采集
| 温度(℃) | 应力(MPa) | 寿命(h) | 温度(℃) | 应力(MPa) | 寿命(h) |
| 650 | 800 | 1298 | 900 | 419 | 100 |
| 650 | 840 | 285 | 900 | 297 | 500 |
| 700 | 700 | 532 | 900 | 255 | 1000 |
| 700 | 730 | 95 | 900 | 400 | 115 |
| 700 | 750 | 65 | 900 | 390 | 158 |
| 700 | 820 | 10.8 | 900 | 350 | 215 |
| 700 | 781 | 10 | 900 | 320 | 347 |
| 700 | 750 | 31.8 | 900 | 300 | 470 |
| 700 | 736 | 100 | 975 | 255 | 80 |
| 700 | 704 | 500 | 975 | 235 | 90 |
| 700 | 691 | 1000 | 975 | 200 | 212 |
| 760 | 700 | 15 | 975 | 164 | 500 |
| 760 | 650 | 317 | 975 | 139 | 1000 |
| 760 | 620 | 429 | 1000 | 235 | 53 |
| 760 | 810 | 1.4 | 1000 | 220 | 70 |
| 760 | 780 | 1.6 | 1000 | 190 | 129 |
| 760 | 715 | 10 | 1000 | 170 | 187 |
| 760 | 660 | 100 | 1000 | 140 | 496 |
| 760 | 632 | 500 | 1010 | 200 | 73 |
| 760 | 617 | 1000 | 1030 | 200 | 34 |
| 850 | 575 | 10 | 1050 | 241 | 10 |
| 850 | 535 | 100 | 1050 | 170 | 42.65 |
| 850 | 505 | 500 | 1050 | 170 | 35 |
| 850 | 497 | 1000 | 1050 | 170 | 52 |
| 850 | 560 | 19 | 1050 | 140 | 100 |
| 850 | 545 | 61 | 1050 | 120 | 231 |
| 850 | 530 | 123 | 1050 | 100 | 519 |
| 1100 | 140 | 33 | |||
| 1100 | 100 | 68 | |||
| 1100 | 120 | 42 |
对DD426合金持久数据(表1.2)利用本发明技术进行数据处理，首先获得各温度下应力与lnt直线关系斜率k和截距d，见表1.3。
表1.3 DD426单晶合金持久应力与持久寿命lnt直线关系斜率k和截距d
对表1.3获得的斜率k与
关系作图，分别求出相应温度范围900℃以下和900℃以上DD426合金应力与lnt的斜率k与
线性关系，其中获得的斜率c为参数三，截距b为参数二，见表1.4。
表1.4 DD426单晶合金的斜率k与
线性关系的斜率c和截距b
对表1.3获得的截距d与
关系作图，分别求出相应温度范围900℃以下和900℃以上DD426合金应力与lnt的截距d与
线性关系，获得的斜率a为DD426参数一，截距A为参数四，见表1.5。
表1.5 DD426单晶合金的截距d与
线性关系的斜率a和截距A
最终获得DD426单晶合金持久归一化模型式(Ⅰ)中各参数见表1.6。
表1.6 DD426单晶合金持久参数各参数及误差
| T(℃) | c | a | b | A |
| 900-1050 | -392000±66300 | 4610000±611000 | 265±53 | -3210±489 |
| 760-850± | -41000±26400 | 1860000±210000 | 17±26 | -1030±209 |
利用本发明建立的镍基高温合金持久性能归一化模型式(1)：对DD426单晶合金表1.2的数据进行处理，获得计算应力值，与实验值的线性关系见表1.7和图2a。归一化模型计算与实验值误差多在10％内，少量1050℃误差在20％左右，应力误差见图2b。
表1.7 DD426单晶合金持久应力计算与试验值线性关系及误差
实施例2
本发明采用DZ411定向合金成分范围见表2.1，进行持久试验数据采集，在600-1000℃，选择5个温度，其中900℃以下选择3个温度。各温度范围选择4个以上应力进行持久测试，获得数据集见表2.2。
表2.1 DZ411定向合金成分范围(wt％)，余量Ni
| 成分 | Cr | Co | W | Mo | Al | Ti | Ta |
| 范围 | 13.5-14.3 | 9-10 | 3.5-4.1 | 1.3-1.7 | 2.8-3.4 | 4.6-5.2 | 2.5-3.1 |
表2.2 DZ411定向合金持久性能采集
对DZ411定向合金持久数据(表2.2)利用本发明技术进行数据处理，首先获得各温度下持久应力与持久寿命lnt直线关系斜率k和截距d，见表2.3。
表2.3 DZ411定向合金持久应力与持久寿命lnt直线关系斜率k和截距d
对表2.3获得的斜率k与
关系作图，分别求出相应温度范围800℃以下和800℃以上DZ411定向合金的应力与lnt的斜率k与
线性关系，其中获得的斜率c为参数三，截距b为参数二，见表2.4。
表2.4DZ411定向合金的斜率k与
线性关系的斜率c和截距b
对表2.3获得的截距d与
关系作图，分别求出相应温度范围800℃以下和800℃以上DZ411定向合金的截距d与
线性关系，获得的斜率a为参数一，截距A为参数四，见表2.5。
表2.5DZ411定向合金的截距d与
线性关系的斜率a和截距A
最终获得DZ411定向合金持久归一化模型式(Ⅰ)中各特征参数见表2.6。
表2.6 DZ411定向合金持久参数各参数及误差
| T(℃) | c | a | b | A |
| 850-980 | -235000±24700 | 4010000±220000 | 157±21 | -2870±185 |
| 650-750 | 314000 | 385000 | -367 | 716 |
本发明建立的镍基高温合金持久性能归一化模型(1)式对DZ411定向合金数据(表2.2)进行处理，获得计算应力值，与实验值线性关系较好，见表2.7和图3a。DZ411定向合金650-980℃持久性能归一化模型计算与实验值误差多在20％内，930℃误差最高有些在20％以上，见图3b。
表2.7 DZ411定向合金持久应力计算与试验值线性关系及误差
实施例3
本发明采用K438多晶合金成分范围见表3.1，进行持久试验数据采集，在650-900℃，选择6个温度。各温度选择6个以上应力进行持久测试，获得数据集见表3.2。
表3.1 K438多晶合金成分范围(wt％)，余量Ni
| 成分 | Cr | Co | W | Mo | Al | Ti | Ta | Nb |
| 范围 | 15.7-16.3 | 8-9 | 2.4-2.8 | 1.5-2 | 3.1-3.7 | 3-3.5 | 1.5-2 | 0.6-1.1 |
表3.2 K438多晶合金持久性能采集
对K438多晶合金持久数据(表3.2)利用本发明技术进行数据处理，首先获得各温度下持久应力与持久寿命lnt直线关系斜率k和截距d，见表3.3。
表3.3 K438多晶合金持久应力与持久寿命lnt直线关系斜率k和截距d
对表3.3获得的斜率k与
关系作图，分别求出相应温度范围900℃以下K438多晶合金的应力与lnt的斜率k与
线性关系，其中获得的斜率c为参数三，截距b为参数二，见表3.4。
表3.4 K438多晶合金的斜率k与
线性关系的斜率c和截距b
对表3.3获得的截距d与
关系作图，分别求出相应温度范围800℃以下和800℃以上K438多晶合金的截距d与
线性关系，获得的斜率a为参数一，截距A为参数四，见表3.5。
表3.5 K438多晶合金的截距d与
线性关系的斜率a和截距A
最终获得K438多晶合金持久归一化模型式(Ⅰ)中各参数见表3.6。
表3.6 K438多晶合金持久参数各参数及误差
| T(℃) | c | a | b | A |
| 850-900 | -123000±8560 | 3010000±46900 | 73±8 | -2160±45 |
| 650-750 | -19600±6060 | 3010000±46900 | -26±6 | -2160±45 |
本发明建立的镍基高温合金持久性能归一化模型(Ⅰ)式对K438多晶合金表3.2的数据进行处理，获得计算应力值，与实验值线性关系较好，见表3.7和图4a。K438多晶合金650-900℃持久性能归一化模型计算与实验值误差多在10％内，见图4b。
表3.7 K438多晶合金持久应力计算与试验值线性关系及误差
实施例4
对镍基铸造合金成分见表4.1，利用本发明持久数据归一化模型，获得对应合金的持久参数，见表4.2，参数误差见表4.3。
表4.1镍基合金成分范围(wt％)，余量Ni
表4.2镍基合金的特征持久参数
表4.3镍基合金的持久参数误差
表4.4镍基合金的持久参数计算应力与试验应力线性关系
实施例5
本发明采用实施例4中单晶合金，成分见表4.1，持久特征参数见表4.2，获得成分与特征参数的变化规律，参见图5-8：
Ti减缓W+Ta≤9.5合金900℃以下持久性能退化，c0增大；Ti加速Al>5合金900℃以下持久性能退化，c0减小，见图6a。
Co对900-1100℃内持久特征参数c1和A1的影响存在极低值，即在Co<5wt％合金中Co加速900-1100℃内持久性能退化，c1、A1减小；在Co>7wt％合金中，Co减缓900-1100℃内持久性能退化，c1、A1增大，见图5b和图8c。Co降低900℃以下合金初始强度，A0减小，Re增大Co含量，见图8b。
Cr加速合金持久性能退化：W+Ta≤9.5wt％合金900℃以下a0、b0降低，见图6a和7a，但A0增大，见图8a。Cr降低单晶合金900-1100℃下的b1，Re进一步降低合金持久特征参数b1，见图7b。
γ'形成元素延缓其它合金900-1100℃持久性能退化，a1增大，但加速含Re合金900-1100℃持久性能退化，a1减小，见图6b。
实施例6
本发明采用实施例4中定向合金，成分见表4.1，持久特征参数见表4.2，获得成分与特征参数的变化规律，参见图9-12：
W+Ti加速900℃以下定向合金持久应力随温度、时间复合作用下的退化，降低c0，见图9a；但延缓持久应力随时间的退化，提高b0，见图11a。γ'形成元素Al+Ti+Ta和加速900℃以下持久应力随温度的退化，特别是显著降低Cr+Ta<10wt％合金的持久特征参数a0,见图10a；在900℃以上γ'形成元素对c1的影响存在极小值，约8wt％处，见图9b。
Cr、Ta加速900℃以上持久应力随温度的退化，降低a1,见图10b。
Ta、Nb加速900℃以上持久应力随时间的退化，降低b1,见图11b。
实施例7
本发明采用实施例4中多晶合金，成分见表4.1，持久特征参数见表4.2，获得成分与特征参数在900℃以下的变化规律，参见图13-16：
W、Mo减缓W<4wt％多晶合金持久应力随温度、时间复合作用下的退化，提高c0，见图13；但加速合金持久应力随时间的退化，降低b0，见图15。当Al+Ti<8wt％时，W+Mo对合金随温度退化无明显影响，a0稳定，见图14a；W+Mo对Al+Ti<8wt合金的初始强度稍有提高，增加A0，见图16a。Cr+Co和加速含Ti>3wt％合金持久应力随温度的退化，降低a0,见图14b，但提高合金初始强度，提高A0，见图16b。
本发明未尽事宜为公知技术。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种镍基高温合金的持久性能归一化模型，其特征在于，所述模型为：
其中：i为合金种类；j为温度范围；σ为持久应力，MPa；t为持久寿命，h；T为持久温度，K；合金持久特征参数：a、b、c、A，其中a为参数一；b为参数二；c为参数三；A为参数四。
2.一种按照权利要求1所述模型的镍基高温合金持久性能归一化方法，其特征在于，具体步骤为：
步骤一：建立镍基高温合金的持久性能归一化模型；
步骤二：获取镍基高温合金温度、应力与持久寿命的数据集；
步骤三：将步骤二所得的数据集进行计算得出合金持久特征参数；
步骤四：将步骤三中所得合金持久特征参数代入镍基高温合金的持久性能归一化模型中，计算得到持久应力。
3.按照权利要求2所述镍基高温合金持久性能归一化方法，其特征在于：获得步骤二中所述的数据集方法为：对某一镍基高温合金在600-900℃选择3个以上温度，在900-1100℃中选择3个以上温度，其中每个温度选择5个以上应力进行持久测试，从而获得步骤二中所述的镍基高温合金
应力与lnt的数据集。
4.按照权利要求2所述镍基高温合金持久性能归一化方法，其特征在于，获得步骤三中所述合金持久特征参数的方法为：
a)对步骤二中获得各温度下应力与lnt做图，获得各温度下直线关系斜率k和截距d；
b)将斜率k与
的关系作图，划分两者近似直线关系的温度范围，分别求出对应温度范围内斜率k与
线性关系的斜率c和截距b；其中，斜率c为参数三，截距b为参数二；
c)将截距d与
的关系作图，划分两者近似直线关系的温度范围，分别求出对应温度范围内截距d与
线性关系的斜率a和截距A；其中，斜率a为参数一，截距A为参数四。
5.按照权利要求2所述镍基高温合金持久性能归一化方法，其特征在于：合金持久特征参数能够描述合金持久性能，合金持久特征参数数值越高，持久性能越高；
合金持久特征参数还能够描述持久性能随温度、时间退化规律。
6.按照权利要求2所述镍基高温合金持久性能归一化方法，其特征在于：步骤四中得到的计算持久应力与试验应力呈线性关系。
7.按照权利要求2所述镍基高温合金持久性能归一化方法，其特征在于：所述方法适用于现有可获得足够数据的铸造镍基高温合金，多晶、定向或单晶高温合金。
8.按照权利要求2所述镍基高温合金持久性能归一化方法，其特征在于，所述方法验证的合金成分范围为重量百分比：5-24Cr，0-20Co，0-11W，0-9Mo，0-5Re，0-7Al，0-6Ti，0-9Ta，0-3Nb，余量Ni。
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2019
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