温度对TiAl涂层微裂纹扩展影响的分子动力学研究_常筠袖.pdf
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1、第 30 卷 第 2 期2023 年 2 月塑性工程学报JOURNAL OF PLASTICITY ENGINEERINGVol.30 No.2Feb.2023引文格式:常筠袖,杨 帆,张靖晨,等.温度对 TiAl 涂层微裂纹扩展影响的分子动力学研究 J.塑性工程学报,2023,30(2):197-205.CHANG Junxiu,YANG Fan,ZHANG Jingchen,et al.Molecular dynamics study on effect of temperature on micro-crack propagation of TiAl coatingJ.Journal o
2、f Plasticity Engineering,2023,30(2):197-205.基金项目:国家重点研发计划(SQ2020YFB200353-4);辽宁省教育厅科学研究经费资助项目(L2019024)通信作者:姜文全,男,1979 年生,博士,副教授,主要从事微纳米金属薄膜阻尼减振及能耗技术研究,E-mail:j_wenquan 第一作者:常筠袖,女,1997 年生,硕士研究生,主要从事金属涂层及合金微观缺陷研究,E-mail:changjunxiu1997 收稿日期:2022-03-29;修订日期:2022-12-01温度对 TiAl 涂层微裂纹扩展影响的分子动力学研究常筠袖1,杨 帆
3、2,张靖晨1,杜广煜3,王佳聪1,姜文全1(1.辽宁石油化工大学 机械工程学院,辽宁 抚顺 113001;2.辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院,辽宁 抚顺 113001;3.东北大学 机械工程及自动化学院,辽宁 沈阳 100819)摘 要:运用分子动力学方法对不同温度下 TiAl 合金的微裂纹扩展过程进行了研究,建立了 TiAl 合金分子动力学模型,通过共同近邻分析和位错分析得到了其在微观尺度下裂纹扩展的变形机制,并采用扫描电镜原位拉伸 TiAl 涂层试验对模拟结果进行了验证。结果表明,在分子动力学模拟和扫描电镜原位拉伸试验中均可见裂纹向前方 100 晶向扩展,在临近孔洞时,裂纹扩展路径向
4、 110 晶向扩展。在应力加载过程中,体系会发生裂纹尖端钝化、孔洞引导裂纹扩展改变初始扩展方向以及边界塞积等现象。随着温度的升高,原子的活性增强,热运动加剧,裂纹钝化速度增加,裂纹扩展速度变慢。体系的能量随着温度的升高而增加,当温度为 500 K 时,应力达到最大。温度为 300500 K 时,TiAl 合金的抗塑性较好,晶体结构较稳定,温度为 5001100 K 时,体系易发生塑性变形,引发位错增殖,原因是 1/2(Perfect)位错与 1/6(Shockly)位错在裂尖前方塞积抑制了裂纹的扩展。关键词:TiAl 涂层;分子动力学;微裂纹;温度中图分类号:TG146.23;O77.21 文
5、献标识码:A 文章编号:1007-2012(2023)02-0197-09doi:10.3969/j.issn.1007-2012.2023.02.023Molecular dynamics study on effect of temperature on micro-crack propagation of TiAl coatingCHANG Jun-xiu1,YANG Fan2,ZHANG Jing-chen1,DU Guang-yu3,WANG Jia-cong1,JIANG Wen-quan1(1.School of Mechanical Engineering,Liaoning P
6、etrochemical University,Fushun 113001,China;2.College of Petroleum Engineering,Liaoning Petrochemical University,Fushun 113001,China;3.School of Mechanical Engineering and Automation,Northeastern University,Shenyang 100819,China)Abstract:The micro-crack propagation process of TiAl alloy at different
7、 temperatures was studied by molecular dynamics method.The molecular dynamics model of TiAl alloy was established,the deformation mechanism of crack propagation in micro-scale was obtained by common neighbor analysis(CNA)and dislocation analysis,and the simulation results were verified by scanning e
8、lectron microscopy(SEM)in-situ tensile tests of TiAl coating.The results show that the crack extends to the front 100 crystal direction in the molecular dynamics simulation and SEM in-situ tensile tests,when the crack is close to the hole,the crack propagation path extends to the 110 crystal directi
9、on.The phenomenons of crack tip passivation,the change of initial extending direction of crack propagation caused by the hole and the boundary plug occur in the stress loading process.With the increase of temperature,the activity of atoms is enhanced,the thermal movement is intensified,the crack pas
10、sivation speed increases,and the crack propagation speed slows down.The energy of the system increases with the increase of temperature,when the temperature is 500 K,the stress is the maximum.When the temperature is 300-500 K,the plasticity resistance of TiAl alloy is better,and the crystal structur
11、e is relatively stable.When the temperature is 500-1100 K,the plastic deformation of the system is easy to occur,which causes the dislocation proliferation.Because 1/2(Perfect)dislocations and 1/6 (Shockly)dislocations are packed in front of the crack tip,and the crack propagation is suppressed.Key
12、words:TiAl coating;molecular dynamics;micro crack;temperature 引言随着航空航天事业的快速发展,人们对航空发动机涡轮叶片的性能提出了更高的要求,在叶片表面喷镀合金涂层可以增加叶片的热冲蚀性和耐磨性,合理选择合金纳米涂层材料对提高涡轮叶片的使用寿命尤为重要。TiAl 合金的密度低、耐热性好,具有较高的比强度和比弹性模量,并且在高温状态仍有稳定的强度和刚度,是发动机耐热涂层常用的材料之一1-3,因此研究 TiAl 涂层的裂纹扩展行为对航空发动机的安全性具有重要意义。但是 TiAl 涂层的性能往往会受到多种因素的影响,主要因素有缺陷、温度和
13、应变速率等4-8。温度是最常见的影响因素之一,金属构件的断裂强度随着温度的升高而降低。相关学者采用恒温拉伸实验方法研究了不同温度对 TiAl 合金的影响,但是实验方法往往是从宏观角度对构件的力学性能进行分析和讨论,未从原子轨迹变化、原子结构转换以及位错等微观角度对其进行说明,且实验条件难以保证测量精度的准确性,需要从微观结构进行深入分析。随着计算机技术的快速发展,分子动力学模拟已经成为研究微观尺度下裂纹扩展的重要工具9-13,MD 模拟是基于牛顿运动方程来描述原子系统内的原子运动情况,结合初始条件和边界条件,可以准确获得裂纹区域内原子的位置、结构以及位错等信息14-15,便于相关学者更好地了解
14、 TiAl 涂层在不同温度下微裂纹扩展行为。目前,薛春等16和唐锦旗等17利用分子动力学方法研究了温度对镁拉伸性能的影响,结果表明,温度的升高对镁材料的抗拉强度和屈服应力均有影响;寇佩佩等18和 FENG R C 等19研究了温度对钛合金断裂行为的影响,通过对原子结构和位错数量进行分析,发现温度越高,位错数量越少,材料的弹性模量明显降低。曹卉等20采用分子动力学方法从原子尺度对单晶-TiAl 合金中心裂纹的扩展机理进行了研究,模拟了不同温度下预制中心裂纹的扩展过程,发现随着温度升高,裂纹的启裂时间变长,裂尖和边界发射的位错数目随温度的升高而增多。虽然当前运用分子动力学方法对 TiAl 合金微裂
15、纹扩展行为有了一些研究,但针对温度变化对涂层微观尺度上的分析不够深入,难以准确掌握不同温度下 TiAl 合金的裂纹扩展行为及变化规律,其对不同缺陷的影响有待进一步探究。据此,本文构建了裂纹和孔洞两种缺陷的 TiAl 涂层模型,运用分子动力学模拟,提供了结构宏观和纳米特性相结合的功能,利用 LAMMPS 程序以及可视化处理 Ovito 软件,对一些难以通过理论分析和实验观察的现象进行微观解释,通过应力-应变曲线、能量变化、原子轨迹分析以及位错分析等方法,对比研究 TiAl 合金涂层在不同的温度作用下裂纹扩展情况。1 模型及方法1.1 模型建立使用 LAMMPS 软件建立坐标系,使初始晶向100、
16、010 和 001 分别对应 x、y 和 z 轴,由于材料在拉伸时试件表面会出现 45滑移线,处于 45位置时剪应力最大,故在裂尖正上方预制了与裂纹呈 45 的孔洞,同时通过删除原子指令在TiAl 合金涂层表面预制 15a 的裂纹(晶格常数 a=0.4001 nm),据此观察晶体内部结构变化情况。模型尺 寸 为 50a 50b 4c,其 中 晶 格 常 数 b=0.4001 nm,c=0.4181 nm,与文献 21 中的实验值 a0=b0=0.4005 nm 和 c0=0.407 nm 基本一致,两者之间误差约 3%,证明选取的势函数具备一定的合理性。孔洞距离裂尖 r=2a,孔洞半径为 1
17、nm,由此构建涂层模型,如图 1 所示。图 1 TiAl 涂层建模Fig.1 Modeling of TiAl coating1.2 模拟方法分子动力学模拟是从原子角度进行分析的,原子之间的相互作用需要用势函数来描述,嵌入原子势能够结合系统局部环境对单个结合强度的影响,适用于研究合金断裂和失效的演化过程,本次研究选取 ZOPE R R 等22开发的嵌入原子势(Embedded 891塑性工程学报第 30 卷Atom Potential,EAM)来描述 TiAl 合金中原子间的相互作用。系统总势能 U 的表达式为:U=iFi(i)+12jiij(rij)(1)式中:Fi为嵌入能函数;i为除第 i
18、 个原子核之外的所有其它原子的核外电子在第 i 个原子处产生的电子云密度之和;ij为第 i 个原子与第 j 个原子之间的对势作用函数;rij为第 i 个原子与第 j 个原子间的距离。在模型顶部和底部固定 2a 厚的表面层原子并施加拉伸载荷,为消除模型边界带来的影响,x 和 y采用了非周期性边界,z 采用了周期性边界,用 ve-locity-verlet 算法求解模拟中原子运动的轨迹,计算公式为:ri(t+t)=r(t)+ttvi(t)+12mNi(t)t2(2)vi(t+t)=vi(t)+12mNi(t+t)+Ni(t)t2(3)式中:ri为第 i 个原子的位置轨迹坐标;vi为速度矢量;t 为
19、时间;Ni为作用在原子上的力;m 为相对原子质量;t为相对时间差。在本次模拟过程中,首先弛豫 1000 个时间步长,使系统达到初始平衡状态,然后沿着 y 方向进行单轴拉伸(即将系统底部固定,通过给定顶部原子施加恒定速度,形成向上拉伸载荷的力),运用 Nose/Hoover热浴法控温,分别 计 算 300、500、700、900 和1100 K 温度下体系的应力、应变以及能量变化。2 结果与讨论2.1 模拟结果验证采用在聚酰亚胺基片上沉积 TiAl 合金涂层的方法制备试样,在室温下对其进行 SEM 原位拉伸,得到 TiAl 合金涂层裂纹开裂的微观结构如图 2 所示。由图 2a 可知,在夹渣作用下
20、,涂层左侧产生初始裂纹,TiAl 薄膜受到拉伸的作用,微裂纹沿晶开裂,向前扩展。孔洞周围存在大量原始缺陷,裂纹延展到与孔洞较近位置,改变初始扩展路径,微裂纹向孔洞方向扩展。由图 2b 可知,在试样左侧预制裂纹缺口,微裂纹与孔洞结合,拉伸作用下孔洞孔径变大,约为 3 m,微裂纹的扩展路径为原始方向约45处。图 2c 为采用分子动力学模拟方法进行拉伸的 TiAl 涂层微观结构图,放大裂尖可知,裂纹向前方 100 晶向扩展,在即将遇到孔洞时,裂纹扩展路径发生改变,由向 100 晶向扩展变为向110 晶向扩展,将图 2a 和图 2b 实验图与分子动力学模拟图 2c 和图 2d 进行对比可知,实验结果与
21、模拟结果基本吻合,验证了本次分子动力学模拟的可行性。2.2 温度对体系应力-应变的影响为研究温度对体系应力-应变曲线的影响,分别在 300、500、700、900 和 1100 K 下对 TiAl 涂层预制孔洞和裂纹两种缺陷,进行单轴拉伸模拟,结果如图 3 所示。从图中可以看出,应力-应变曲线经历了弹性变形阶段、塑性变形阶段和稳定阶段。在发生弹性变形之前(应变 0.092),这与室温下 TiAl 合金裂纹扩展变化相似;在 500 和700 K 温度下,曲线随后进入稳定阶段且释放的应力较多;而在 900 和 1100 K 的温度下进入稳定阶段的时间最晚。即随着温度的升高,体系达到其对应的应力峰值
22、所需的时间要更长,塑性变形能力逐渐增强,这与易湘斌等23对钛合金组织在不同温度下进行 SEM 原位拉伸实验观察到的结果吻合,进而验证了本次模拟的准确性。2.3 温度对体系总能量的影响图 4 给 出 了 分 别 在 300、500、700、900 和1100 K 下 TiAl 涂层能量增量的变化情况。从图中可以看出,能量增量 T 随着应变的增加而增大,随着拉伸加载的进行,原子之间的距离增大,使得原子之间的作用力增加,势能增大导致总能量增加,991 第 2 期常筠袖 等:温度对 TiAl 涂层微裂纹扩展影响的分子动力学研究图 2 TiAl 合金实验与模拟微观结构(a)10 m 下组织形貌实验图(b
23、)5 m 下组织形貌实验图(c)裂尖放大模拟图(d)裂纹扩展模拟图Fig.2 Experimental and simulated microstructure of TiAl alloy(a)Experimental diagram of structure morphology under 10 m(b)Experimental diagram of structure morphology under 5 m(c)Simulation diagram of enlarged crack tip(d)Simulation diagram of crack propagation图 3 不同
24、温度下 TiAl 合金应力-应变曲线Fig.3 Stress-strain curves of TiAl alloy at different temperatures故进行塑性变形之前能量逐渐增加。由放大图可知,300 K 的温度曲线能量变化幅度较小,温度升高使原子的振动加剧,热振动振幅加大,原子的排布序列呈现不稳定状态,部分原子间距增加,势能增大,图 4 不同温度下 TiAl 合金的总能量变化Fig.4 Variation of total energy of TiAl alloy at different temperatures体系的能量增量随之增大,此阶段对应应力-应变曲线的弹性变形
25、阶段。当拉伸加载超过屈服极限时,TiAl 合金涂层发生位错滑移现象,并伴随着晶键的断裂,使总能量降低,最后体系逐渐趋于平稳。从002塑性工程学报第 30 卷图 4 中还可以看出,随着温度的升高,能量的峰值越大,这是由于随着温度的升高,原子之间距离增大,体系发生变形需要吸收更高的能量,且合金材料在高温时本身就具有较高的势能,故而温度越高,总能量越大。2.4 原子微观结构变化分析体系内部的微观机理变化会对应力-应变和能量曲线的变化趋势产生影响。为了深入了解曲线存在的差异以及 TiAl 合金涂层在不同温度下的微观变形情况,利用 Ovito 软件提取原子微观变化情况,对其微观结构进行切片处理、共邻分析
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