一种镍基高温合金宽温域蠕变强度预测方法技术

本发明专利技术公开了一种用于一种镍基高温合金宽温域蠕变强度预测方法。有效解决了镍基高温合金在大范围温度及应力载荷下蠕变速率预测不准及蠕变寿命预测不准确的问题。根据镍基高温合金中析出相中心平面与位错滑移平面的相对位置关系，提出单一析出相的概率依赖的蠕变强度预测方法。随后考虑析出相尺寸分布效应，并基于析出相尺寸分布效应诱导的蠕变强化机制分布，提出了统计依赖的蠕变强度预测方法。随后将预测的蠕变强度代入蠕变速率计算方法中，相比于经典蠕变强度预测的蠕变速率，本方法可以在的大范围应力及温度载荷下更准确地预测蠕变速率。本方法避免了大量的重复试验，以及人力、物力和财力的浪费。节约了时间成本，缩短了镍基高温合金的研发周期，提高了镍基高温合金材料工程应用可靠性，科研价值以及工程应用价值巨大。

【技术实现步骤摘要】
一种镍基高温合金宽温域蠕变强度预测方法
本专利技术涉及镍基高温合金蠕变强度预测领域，具体涉及一种考虑析出相尺寸分布及位错滑移面与析出相中心的相对位置关系，耦合切过、绕过及攀移机制的蠕变强度预测方法。
技术介绍
随着航空发动机向大型化、高推重比和高效率方向发展，涡轮前端燃气温度不断提高，零部件的工作环境愈发恶劣，要求涡轮盘、涡轮叶片等关键部件具有优异的抗蠕变性能。镍基高温合金在高温环境中能保持良好的强度、蠕变性能、疲劳性能、抗氧化性能及抗腐蚀性能，是目前制备航空发动机涡轮盘等关键部件的主体材料。这些性能是两相结构的结果，一个面心立方γ基体，保持稳定的熔点和连贯有序的L12结构Ni3Al析出相，阻碍了位错的滑移。在实际服役条件下，发动机中叶片的热部件要经历大范围应力及温度载荷。在过去的几十年里，人们对超合金在工作温度(1000℃以上)下的蠕变变形机理进行了广泛的研究。然而，宽温域蠕变强度预测方法只受到了很少的关注，特别是700℃至1000℃范围内的蠕变性能预测。此外，已经有研究报道在700℃至1000℃范围内镍基高温合金可能出现各种变形机制，包括切过、绕过及攀移机制。据报道，镍基高温合金位错剪切析出相发生在中温高应力下，在其后面留下反相畴界。而在低应力下主要发生攀移机制和切过机制。因此通过理论建模耦合切过、绕过及攀移机制来预测镍基高温合金蠕变强度具有重要的意义。传统的镍基高温合金蠕变强度预测主要依赖于实验测量的析出相体积分数及平均尺寸。但是析出相实际上是呈现正态分布状态的，而不是呈现出一个单一的平均析出相尺寸。但是经典的析出相蠕变强度预测方法很少考虑这个问题。此外，经典的析出相蠕变强度预测方法认为位错滑移平面始终与析出相中心平面重合，显然这是不合理的。位错滑移平面在材料中是固定的，但是在镍基合金中析出相是随机分布的，因此位错滑移平面不一定与析出相中心平面重合。因此，必须要考虑位错滑移平面与析出相的相对位置关系以及析出相尺寸分布效应，从而提出能够准确预测镍基高温合金蠕变强度的方法。综上所述，虽然镍基高温合金的蠕变变形机理和断裂特征已被广泛研究，但是仍然缺乏一种准确的、耦合所有机制，包括切过、绕过及攀移机制的蠕变强度预测方法。本专利技术提出的镍基高温合金蠕变强度预测方法就是在考虑到上述情况的基础上进行的。此外，本专利技术还考虑了实际物理过程的两种情况，即析出相尺寸分布效应和位错滑移平面与析出相的相对位置关系。本专利技术提出了一种可以基于微结构参数，定量确定镍基高温合金的蠕变强度的方法，其精度可以对合金设计提供科学依据和理论指导。
技术实现思路
本专利技术的目的在于基于经典的蠕变强度预测方法，提出一种考虑实际物理过程，包括切过、绕过及攀移机制的蠕变强度预测方法。本专利技术可以大幅提高镍基高温合金蠕变强度预测精度。从而大幅缩短高性能高镍基高温合金研发周期，降低研发成本。本专利技术的技术方案包括：确定所述镍基高温合金的析出相平均尺寸、体积分数与尺寸分布。通过实验或者查阅文献获得镍基高温合金的剪切模量、反向畴界能、伯格斯矢量等材料参数(图1)。确定经典蠕变强化机制及不同蠕变强化机制有效的析出相尺寸范围。经典蠕变强化机制包括weak-paircoupling,strong-paircoupling和Orowan机制。其中当析出相半径小于时rw，weak-paircoupling中的临界分切剪应力表达式如下：当析出相半径在rw至rc区域内，strong-paircoupling情况下的临界分切剪应力表达式如下：当析出相的尺寸大于rw，切过析出相所需要的临界分切剪应力大于位绕过析出相所需的临界分切剪应力。此时Orowan机制成为有效机制。这时Orowan绕过机制产生的临界分切剪应力为：经典蠕变强化机制随着尺寸的变化如图2所示。随后考虑位错滑移平面与析出相的相对位置关系，计算较大析出相的临界分切剪应力的模型，如图3所示。对于weak-paircoupling区域(RQ区域)(见图3b)，位错绕过RQ区域的概率等于滑移平面Q到R的距离与球状析出相半径的比值。因此，这种情况的概率为对于strong-paircoupling区域(PQ区域)，这种情况的概率为对于Orowan机制区域(PO区域)，这种情况的概率为p3＝1-p1-p2(6)随后，采用微积分方法分别计算三部分对蠕变强度的贡献，从而得出了析出相与位错的相互作用。因此，对于给定的大于rc的析出相，考虑概率依赖的析出相绕过机制，临界分切剪应力可以表示为类似地，对于析出相尺寸在PQ区域的析出相，临界分切剪应力可以表示为对于析出相尺寸在RQ区域的析出相，临界分切剪应力可以表示为随后，考虑析出相的尺寸分布效应。实验表明，析出相尺寸大致符合正态分布规律，其中析出相尺寸分布由三个区域组成，包括弱切割区、强切割区和Orowan区，如图4所示。析出相尺寸分布的概率密度函数为三个区域的统计依赖的临界分切剪应力分别为因此，基于统计理论，新的由析出相贡献产生的蠕变强度表达式为随后，将计算的蠕变强度代入阈值应力依赖的蠕变率公式中计算合金蠕变速率有益效果本专利技术提出的一种考虑析出相尺寸分布及位错滑移面与析出相中心的相对位置关系，耦合切过、绕过及攀移机制的宽温域镍基高温合金蠕变强度预测方法，该方法基于扎实的理论基础、清晰的建模过程和明确的物理意义。本专利技术提出的一种用于镍基高温合金宽温域的蠕变速率预测方法，可以兼顾镍基高温合金在的大范围应力载荷下及大范围温度载荷下的蠕变速率预测。同时，相比于经典的蠕变强度预测方法，该方法的预测精度显著提高。因此可以大幅缩短高性能高镍基高温合金研发周期，降低研发成本，对合金设计提供科学依据和理论指导。本专利技术具有良好的应用前景，根据镍基高温合金表征获得的析出相微结构参数，可以准确预测镍基高温合金在的大范围应力载荷下及大范围温度载荷下的蠕变速率，从而进一步可以预测镍基高温合金在的大范围应力载荷下及大范围温度载荷下的蠕变寿命，避免了大量的重复试验，以及人力、物力和财力的浪费。节约了时间成本，缩短了镍基高温合金的研发周期，提高了镍基高温合金材料工程应用可靠性，科研价值以及工程应用价值巨大。附图说明图1给出了本专利技术的用于镍基高温合金考虑析出相尺寸分布及位错滑移面与析出相中心的相对位置关系，耦合切过、绕过及攀移机制的蠕变强度及蠕变速率预测方法。图2为临界分切剪应力与析出相尺寸的关系示意图。rw是决定weak-paircoupling向strong-paircoupling转换的临界尺寸，rc是决定切过机制向Orowan机制转化的临界尺寸。图3为三种不同情况下滑移面位错与大尺寸析出相的相互作用示意图图4(a)表示概率密度函数与析出相的关系,(b)表示用无穷小法给出了析出相对屈服强度贡献的示意图。图5(a)本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种镍基高温合金宽温域蠕变强度预测方法，具体涉及一种考虑析出相尺寸分布及位错滑移面与析出相中心的相对位置关系，耦合切过、绕过及攀移机制的蠕变强度预测方法。其特征在于，包括:/n考虑了实际物理过程的位错滑移平面与析出相中心的相对位置关系；/n考虑了实际物理情况的析出相的尺寸分布效应；/n同时耦合了位错攀移析出相、位错切割析出相、位错绕过析出相这三种机制；/n提出的方法可以预测大范围温度及应力载荷下的镍基高温合金蠕变速率，并进一步预测合金蠕变寿命。/n

【技术特征摘要】
1.一种镍基高温合金宽温域蠕变强度预测方法，具体涉及一种考虑析出相尺寸分布及位错滑移面与析出相中心的相对位置关系，耦合切过、绕过及攀移机制的蠕变强度预测方法。其特征在于，包括:
考虑了实际物理过程的位错滑移平面与析出相中心的相对位置关系；
考虑了实际物理情况的析出相的尺寸分布效应；
同时耦合了位错攀移析出相、位错切割析出相、位错绕过析出相这三种机制；
提出的方法可以预测大范围温度及应力载荷下的镍基高温合金蠕变速率，并进一步预测合金蠕变寿命。


2.根据权利要求1所述的镍基高温合金宽温域蠕变强度预测方法，其特征在于，考虑了实际物理过程的位错滑移平面与析出相中心的相对位置关系。
对于大尺寸析出相，经典方法认为只存在绕过机制，而在本发明中，根据位置关系，可能存在切割机制、攀移机制与绕过机制。


3.根据权利要求1所述的镍基高温合金宽温域蠕变强度预测方法，其特征在于，考虑了实际物理情况的析出相的尺寸分布效应。
对于合金中析出相只存在单一平均尺寸，则只存在一种蠕变强化机制。而在本发明中，考虑析出相尺寸分布效应，可能存在多种蠕变强化机制，这依赖于析出相的尺寸分布特点。这显然符合实际物理过程。


4.根据权利要求1所述的镍基高温合金宽温域蠕变强度预测方法，其特征在于，同时耦合了位错攀移析出相、位错切割析出相、位错绕过析出相这三种机制。...

【专利技术属性】
技术研发人员：方棋洪，李甲，李理，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43