DZ411定向凝固镍基合金蠕变性能的快速评估方法.pdf
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1、55D0I:10.1197gcc1202307009MATERIALSFOR MECHANICAL ENGINEERINGVol.47No.7Jul.20232023年7 月第47 卷第7 期2023机械工程材料DZ411定向凝固镍基合金蠕变性能的快速评估方法曹铁山,陈巧,王威”,迟庆新,程从前,赵杰(1.大连理工大学材料科学与工程学院,大连116024;2.中国航发沈阳发动机研究所,沈阳110 0 15)摘要:研究了预应变(0.5%,1.0%,1.5%,2.0%,2.5%)、加载应变速率(4.0 10-5,1.2 10-4,4.0X10-4s-1)和连续温度应力松弛试验的初始温度(7 50,
2、90 0)对DZ411定向凝固镍基合金应力松弛行为的影响;基于加工硬化和回复软化动态平衡的稳态变形,假设稳态松弛应变速率与传统蠕变持久试验的最小蠕变速率随应力的变化规律一致,通过短时应力松弛试验对最小蠕变速率进行预测,并进行验证。结果表明:试验合金在加工硬化和回复软化动态平衡时开始松弛,当预应变不低于1.0%时能快速达到稳态松弛;初始温度对稳态松弛行为的影响较小;加载应变速率会影响起始松弛应变速率,但对稳态松弛应变速率随应力变化的影响较小;通过稳态松弛应变速率主曲线可以预测不同温度、应力下的最小蠕变速率,蠕变持久试验结果均落在稳态松弛应变速率主曲线的99%可靠度曲线内。关键词:定向凝固镍基合金
3、;高温应力松弛;蠕变;最小蠕变速率;松弛应变速率中图分类号:TG146.1文献标志码:A文章编号:10 0 0-3 7 3 8(2 0 2 3)0 7-0 0 55-0 7A Rapid Evaluation Method for Creep Properties ofDirectionally Solidified Nickel-Based Alloy DZ411CAO Tieshan,CHEN Qiao,WANG Wei?,CHI Qingxin,CHENG Congqian,ZHAO Jie(1.School of Materials Science and Engineering,Da
4、lian University of Technology,Dalian 116024,China;2.AECC Shenyang Engine Research Institute,Shenyang 110015,China)Abstract:Effects of pre-strains(0.5%,1.0%,1.5%,2.0%,2.5%),loading strain rates(4.0X10-5,1.2X10-4,4.0X10-4 s-1)and initial temperatures(750,900)o f c o n t i n u o u s t e mp e r a t u r
5、e s t r e s s r e l a x a t i o n t e s t s o ndirectionally solidified nickel-based alloy DZ41l were studied.Based on steady-state deformation obtained bydynamic equilibrium of work hardening and recovery softening,assuming that the change of the steady-staterelaxation strain rate with stress was c
6、onsistent with that of the minimum creep rate of the traditional creep rupturetest,the minimum creep rate was predicted and verified by short-term stress relaxation tests.The results show thatthe test alloy was relaxed when the work hardening and recovery softening were in dynamic equilibrium.When t
7、hepre-strain was not less than 1.0%,the steady-state relaxation could be quickly achieved.The initial temperature hadlittle effect on the steady-state relaxation behavior.The loading strain rate affected the initial relaxation strain rate,but had little effect on the change of steady-state relaxatio
8、n strain rate with stress.The minimum creep rates underdifferent temperatures and stresses could be predicted by the master curve of steady-state relaxation strain rate.Thecreep rupture test results were located in the range of 99%reliable curve of the master curve of steady-staterelaxation strain r
9、ate.Key words:directional solidified nickel-based alloy;stress relaxation test;creep;minimum creep rate;relaxation strain rate0引言收稿日期:2 0 2 2-0 3-0 1;修订日期:2 0 2 3-0 3-13作者简介:曹铁山(198 5一),男,辽宁大连人,副教授,博士燃气轮机涡轮叶片承受着高温和高载荷的作用,易发生变而断裂或破坏,因此其材料常采用56MATERIALS FOR MECHANICAL ENGINEERING曹铁山,等:DL4II定向凝固镍基变性能的快
10、速评估方法2023机械工程材料高性能的定向凝固镍基高温合金;而蠕变性能评估是进行定向凝固镍基高温合金开发及应用的必要环节。通常,研究人员采用蠕变持久试验对高温材料蠕变性能进行评估。然而,传统的蠕变持久试验耗时较长且所需试样量较大,会拖延材料的研发周期。虽然在国内外也相继开发出了有效的模型方法,如时间-温度-参数法(TTP法)、投影法等 1-2 ,降低了蠕变性能评估所耗费的时间和物力成本,但是这些方法也需依据大量蠕变持久试验数据来保证其评估结果的公信力。另外,在新材料预研或应用过程中,由于工艺成熟性、开发周期和经济成本等因素影响,试样往往非常珍贵且数量有限,这进一步加大了新材料蠕变性能评估的难度
11、。因此,如何直观、快速且有效地获得蠕变性能得到了科研工作人员的重点关注。近些年来,国内外学者通过高温应力松弛试验快速获得应力、应变和时间信息,并将之与蠕变变形相关联,以期能够替代蠕变持久试验来进行蠕变性能评估 3-6 。郭进全等 7 认为,由试验时间在2 1211h的高温应力松弛数据可以推导出蠕变第二阶段(也称稳态蠕变阶段)的信息。曹铁山 8 1对多晶材料的松弛行为进行了系统研究,探讨了晶粒尺寸对稳态松弛应变速率与最小蠕变速率转换模型的影响。WOODFORD9-101以镍基合金为研究对象,认为包含微小塑性预应变的松弛不会造成材料损伤,其松弛数据可用于评估蠕变性能。综上,在特定条件下,高温应力松
12、弛与蠕变第二阶段存在共性;该条件受多种因素,如初始应力或者预应变、晶粒尺寸等的影响。DZ411合金是一种以奥氏体为基体相、以-Nis(T i,A l)为主要强化相的定向凝固镍基合金,其组织主要为相互平行的柱晶,横向晶界消除。该合金是为提高高温抗变性能而开发的,如何快速评估其蠕变性能得到相关人员的广泛关注 1-14。目前,尚不明确在什么条件下,定向凝固镍基合金的稳态松弛行为与蠕变第二阶段一致。提高预应变可以缩短合金进人稳态松弛阶段的时间,但较大塑性应变和加载速率对稳态松弛行为的影响尚需进一步探讨。对比蠕变持久试验,应力松弛试验对试样损伤较小,并且若稳态松弛行为不受初始温度影响,则可以通过连续温度
13、松弛方法(将同一根试样从低温到高温进行不同温度下的松弛试验)来提高材料利用率。为了获得定向凝固镍基合金蠕变性能的快速评估方法,作者对DZ411定向凝固镍基合金进行高温应力松弛试验,分析了预应变、加载应变速率和连续温度应力松弛试验的初始温度对稳态松弛行为的影响,基于加工硬化和回复软化动态平衡的稳态变形行为,假设稳态松弛应变速率与蠕变第二阶段最小蠕变速率随应力的变化规律一致,通过变持久试验对假设进行验证。1试样制备与试验方法试验材料为DZ411定向凝固镍基高温合金(简称DZ411合金),其最终热处理工艺为12 2 0 X2h+1120X 2 h+8 50 X 2 4h。使用XRF-1800型X射线
14、荧光分析仪测定其化学成分,结果如表1所示。在DZ411合金上取样,采用冷酸(体积分数15%硝酸溶液)浸泡腐蚀10 min,用LeicaDM2500型光学显微镜进行低倍组织观察;将试样打磨抛光,用由2 0 mLHCl、5g C u SO 4和2 5mLHO组成的溶液腐蚀后,在LeicaDMi8型光学显微镜上观察显微组织。表1DZA11合金的化学成分Table1Chemical composition of DZA11 alloy元素CrCoTiA1WMoTaNi质量分数/%13.449.67 4.853.26 4.171.633.24余将DZ411合金加工成如图1所示的短棒状应力松弛试样和变试样
15、。根据GB/T10120一1996,在RD-50型微控电子式蠕变试验机上进行应力松弛试验。为研究预应变对应力松弛行为的影响,将试样在2 0 0 N载荷拉伸下升温至8 50 并保温1h,再以8.0 10-5s-1的应变速率加载至规定预应变(0.5%,1%,1.5%,2.0%,2.5%)后进行松弛,松弛时间为2 4h。研究应变速率的影响时采用了连续温度应力松弛试验,试验温度范围在7 50 980,基本步骤如下:将试样在2 0 0 N载荷拉伸下00.03A10.02200F092.00.06R1.0RO.80.8/R1.025.00.28.03.515.080.0图1应力松弛和蠕变试样尺寸Fig.1
16、Size of samples for stress relaxation test and creep test57MATERIALSFOR MECHANICAL ENGINEERING曹铁山,等DL41I定向凝固镍基合合金糯变性能的快速评估方法2023机械工程材料升温至7 50 并保温1h,再以一定应变速率(4.0 10-5,1.210-4,4.010-4s-1)加载至预应变2.0%后进行松弛(时间为2 4h);将试样卸载至2 0 0 N并保载,升温至8 0 0 保温1h,再以与前次试验相同的应变速率加载至相同预应变后进行松弛(时间为2 4h);重复上述卸载、升温、加载、松弛过程,依次完成
17、后续8 50,90 0,950,98 0 下的应力松弛试验。为了研究初始温度(同一根试样初次升温的温度)的影响,增加了一个连续温度应力松弛试验,初始温度为90 0,应变速率为8.0 10-5s-1,试验步骤及其他参数同前。为了保证应力松弛试验恒定变形条件的高精度控制,采用对装的MFL型引伸计监测试样的变形量。按照GB/T2039一1997,采用RD-50型微控电子式蠕变试验机进行蠕变持久试验,试验参数组合如下:温度7 50,应力6 50 MPa;温度8 0 0,应力450 MPa;温度8 50,应力分别为3 2 0,3 50,450MPa;温度90 0,应力分别为2 2 0,2 50,3 0
18、0,350,450 M Pa;温度950,应力分别为150,2 0 0,250,3 50 M Pa;温度98 0,应力分别为13 0,2 0 0,220,250MPa。2试验结果与讨论2.1显微组织由图2 可以看出:DZ411合金的低倍组织为相互平行的柱晶,柱晶生长方向平行于轴,柱晶间距约为2 mm;垂直于和平行于柱晶生长方向的显微组织均较为均匀,在枝晶和枝晶间存在明显的共晶组织。虽然柱晶间存在一定的取向偏差,但偏差相对较小,基本符合定向凝固合金的要求。2.2应力松弛行为2.2.1预应变的影响由图3 可以看出:当预应变由0.5%增加至1.5%时,,DZ411合金在松弛开始时刻处的初始应力增大;
19、当预应变在1.5%2.5%时,由于合金在松弛开始时刻处在屈服阶段,不同预应变下的初始应力相差不大,预应变对初始应力影响不大;经2 4h长时间松弛之后,DZ411合金的剩余应力随预应变增加而降低。应力松弛指的是在预应变。保持恒定下应力不断降低的过程 15;在这个过程中,预应变主要由弹性应变ee、初始塑性应变epo和松弛应变epl组成 16 ,表达式如下:2mm(a)低倍组织200um(b)显微组织,垂直于柱晶生长方向200um(c)显微组织,平行于柱晶生长方向图2 DZ411合金的低倍组织和显微组织Fig.2 Macrostructure(a)and microstructure(b-c)of
20、DZ411alloy:(b)vertical to growth direction of dendritic crystaland(c)parallel to growth direction of dendritic crystal9009008001.5%2.0%2.5%8007006007005004001.0%6003002000.5%50010040002004006008001000时间/s3002001002.5%2.0%1.5%1.0%0.5%002468时间/(10 4s)图3 DZ411合金试样在不同预应变下的应力松弛曲线Fig.3Stress relaxation cu
21、rves of DZ41l alloyspecimens with various pre-strainsEpo+Epl=E(1)在应力松弛过程中,初始塑性应变为常数,应力的降低主要源自弹性应变向松弛应变的转变,是与58MATERIALS FOR MECHANICAL ENGINEERING曹铁山,等:DZ411定向凝固镍基合金蠕变性能的快速评估方法2023机械工程材料时间相关的变量。因此,将式(1)对时间进行微分,得到如下关系式:pl(2)e式中:pl为松弛应变速率;。为弹性应变速率。根据胡克定律,。为松弛应力变化速率。与弹性模量E之比,因此式(2)可以表示为plE(3)通过式(3)将应力松
22、弛曲线转化为松弛应变速率-应力曲线,结果如图4所示。可见:在0.5%预应变下,DZ411合金的松弛应变速率-应力双对数曲线发生明显的偏转,说明合金的应力松弛行为发生了改变,这也是郭进全等 17 认为松弛后期数据更有意义的原因所在;在1.5%2.5%预应变下,松弛应变速率与应力近似服从幂律关系,合金的应力松弛行为比较稳定。10-60.5%F 1.0%R1.5%EL1-S/率10-6C-2.0%区E2.5%区区山10-7日SE山Em&区用斜率偏转点10-8日mL田刀用用LJT10-9200300400500 600应力/MPa图4不同预应变下DZ411合金试样的松弛应变速率-应力双对数曲线Fig.
23、4Double logarithmic curves of relaxation strain rate-stressof DZ411 alloy specimens with various pre-strains试验设置的0.5%预应变为弹性应变,1.0%预应变为弹性极限应变,1.5%预应变含有少量塑性应变,2.0%预应变为大塑性应变,2.5%预应变为进一步增大的塑性应变。在0.5%预应变下,DZ411合金的弹性变形未达到极限,因此松弛开始的初始应力最低,松弛应变速率-应力双对数曲线发生偏转,曲线斜率由大变小,说明合金的应力指数发生了由高到低的变化。松弛应变速率-应力双对数曲线的斜率越大,
24、则在相同应力下的应变速率越大,可运动的位错越多,合金的塑性变形能力越强。因此分析认为:在0.5%预应变下,合金在松弛开始时刻的位错较少,松弛前期主要发生位错增殖,且位错增殖导致的加工硬化大于回复软化,为非稳态变形;松弛后期的加工硬化与回复软化处于平衡状态,合金发生稳态变形 18 。在1.0%预应变下,DZ411合金中存在微小的塑性变形,松弛开始后的初始应力高于0.5%预应变下,松弛前期位错增殖较快,合金快速进人稳态变形阶段;但是在松弛前期合金仍发生了一定程度的非稳态变形,这不利于后期蠕变性能的分析与评价。当预应变在1.5%2.5%时,DZ411合金中的塑性变形均较大,松弛时的初始应力相差不大,
25、但松弛应变速率随着预应变的增加而略微增大;由于存在较大塑性变形,松弛初期加工硬化与回复软化快速进人动态平衡,松弛应变速率随应力的变化较为稳定。虽然在弹性和塑性预应变下,DZ411合金都可以进入稳态松弛变形阶段,但是弹性预应变会产生更多的非稳态变形行为,稳态松弛的应力范围较窄,不利于快速获得较多的稳态松弛应变速率数据;施加塑性预应变则可以使合金更快进入稳态变形阶段,获得应力范围较宽的稳态松弛应变速率信息。WOODFORD9建议预应变应以产生微小塑性变形为佳,但实际操作困难且不适用于工程应用。综合考虑应力范围、试样变形规律和温度等条件,将DZ411定向凝固镍基合金的稳态松弛预应变定为2.0%。2.
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