一种镍基高温合金小角晶界高温疲劳性能的快速预测方法技术

本发明专利技术公开了一种镍基高温合金小角晶界高温疲劳性能的快速预测方法，属金属材料性能测试技术领域。该方法步骤：(1)通过显微实验确定同种工艺所制备双晶的晶界取向差；(2)选择3种以上品界取向差双晶并确定晶界缺陷线密度随取向差变化规律；(2)通过高温疲劳实验获得双晶疲劳寿命N

【技术实现步骤摘要】
一种镍基高温合金小角晶界高温疲劳性能的快速预测方法


[0001]本专利技术涉及金属材料性能测试
，具体涉及一种镍基高温合金小角晶界高温疲劳性能的快速预测方法。

技术介绍

[0002]结构材料由于疲劳造成的失效在结构疲劳失效领域占据重要位置。疲劳性能(包括疲劳强度、疲劳寿命等)是结构材料基本性能，它不但影响了其它动态力学性能，例如蠕变强度、裂纹扩展速率等，也直接影响了材料最终使用时的服役性能。鉴于疲劳性能的重要性，一方面工程材料研发过程中疲劳性能的评估是不可或缺的，另一方面材料组织的改性和优化也常常以疲劳强度与疲劳/寿命的改善为目标。镍基单晶高温合金凭借优异的高温力学性能而广泛应用于航空发动机涡轮叶片，并服役于高温环境。然而，在镍基单晶高温合金定向凝固过程中，由于合金成分和工艺的复杂性，一些定向凝固缺陷会不可避免地产生。其中，小角晶界作为一种常见缺陷会对镍基单晶合金的性能和服役行为产生重要影响。晶界取向差，即两晶粒之间绕旋转轴相对旋转的角度，是描述金属材料晶界形态和结构的本征参量。因而，含小角晶界镍基高温合金的服役性能(比如疲劳强度/寿命)必然与晶界取向差密切相关。综上，准确评估基于晶界取向差的镍基高温合金高温疲劳性能对工程材料的研发与应用具有重要作用。
[0003]众所周知，获得疲劳性能最直接有效的方式是按照国标制备样品并开展疲劳实验。疲劳实验本身较复杂，且鉴于相关理论的缺乏，材料在开发、设计与评价优化过程中往往需要开展大量疲劳实验及相关工艺反复调整，这极大地增加了材料开发与评价的难度与成本。因此，若能通过发展相关理论模型，建立疲劳性能与晶界取向差及材料成分及处理工艺之间的关系，从而实现疲劳性能快速预测，无论是在工程材料研发、设计与评价上，还是在学科理论建设上，都具有非常重要的意义。
[0004]目前，在疲劳性能预测方面，无论是理论模型还是技术手段都很匮乏。在理论研究方面，虽然前期研究提出了许多金属材料预测理论，然而这些理论基本上都是对疲劳损伤过程的唯象描述，且理论的相关参数缺乏明确的物理含义。因此，这些理论只能帮助定性理解疲劳损伤过程，却不能直接用于建立疲劳性能与相关成分参数的定量关系，更不能用来预测疲劳性能。此外，之前的理论工作也几乎未曾重点探讨晶界取向差对金属材料疲劳损伤过程的本质影响，而晶界取向差与金属材料疲劳性能之间的定量化关系更是未曾被研究和提出。在工程应用方面，虽然有一些描述疲劳曲线的常用关系，例如常见的Basquin公式和Coffin
‑
Manson公式。然而，这些关系公式本质上是描述金属材料疲劳行为的经验公式，实质上不过都是对实验曲线的拟合而已。由于缺乏与微观机制的联系，这些公式中参数的物理意义并不明确，且这些参数很难反映晶界取向差的作用。因此，这些描述性公式在原则上均不具备预测镍基高温合金高温疲劳性能尤其是基于晶界取向差的含小角晶界镍基高温合金高温疲劳性能的能力。
[0005]综上，建立镍基高温合金小角晶界高温疲劳性能的定量模型并实现基于晶界取向
差的镍基高温合金高温疲劳性能快速预测具有重要的工程与理论意义，然而目前并不存在合适的理论基础与技术手段。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种镍基高温合金小角晶界高温疲劳性能的快速预测方法，通过建立高温疲劳强度、高温疲劳寿命与晶界取向差之间的定量关系，实现高温疲劳强度/寿命快速预测，从而大幅降低材料开发、设计与评价优化及晶界取向差优化中所需开展的实验量。
[0007]为实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案如下：
[0008]一种镍基高温合金小角晶界高温疲劳性能的快速预测方法，该方法是通过对同种工艺制备的3种以上品界取向差镍基高温合金双晶材料进行高温疲劳实验，根据所得实验数据预测其它同种工艺所制备的任意晶界取向差镍基高温合金双晶材料的高温疲劳性能；该方法具体包括如下步骤：
[0009](1)选择3组以上品界取向差不同的同种工艺所制备双晶材料，确定晶界缺陷线密度随晶界取向差变化规律；
[0010](2)通过高温疲劳实验，测试所制备材料的疲劳性能；
[0011](3)通过拟合疲劳强度/寿命数据，获得所制备材料的关键参数(A、n和β)；
[0012](4)根据步骤(4)所得关键参数，利用定量化的双晶高温疲劳强度/寿命预测模型进行其它同种工艺制备双晶材料在任意晶界取向差下的高温疲劳性能预测。
[0013]上述步骤(1)中，通过显微实验观察晶界并确定晶界取向差，观察时双晶尤其是晶界区域要求保持原始形貌(未变形前)，观察时从低倍到高倍逐步聚焦于晶界区域，采用具有晶界取向分析功能的显微设备对双晶进行观察。
[0014]上述步骤(1)中，所述同种工艺是指材料制备中材料成分(元素配比)和工艺参数不变的制备工艺。不同晶界取向差是指双晶材料制备中改变籽晶相同取向之间相对旋转角度从而使制备双晶晶界具有不同的晶界取向差(疲劳测试样品的选择须在同种工艺的不同晶界取向差下进行，选择晶界取向差小于15
°
且差别较大的3种以上双晶材料进行步骤(2)的疲劳性能测试)；认为晶界析出相线密度f随晶界取向差θ正比变化，比例系数为1/k，通过拟合不同晶界取向差下的晶界缺陷(微孔和碳化物等)随取向差变化情况即可确定该比例系数。
[0015]上述步骤(3)中，所述通过疲劳强度/寿命数据拟合获得所制备材料的关键参数是指：利用公式(1)对步骤(2)获取的若干组(3组以上)疲劳强度数据进行拟合，得到相应的本征参数n和的值，然后将n的值代入公式(2)，并利用公式(2)对步骤(2)获取的若干组(3组以上)疲劳寿命数据进行拟合，得到若干组(3组以上)参数A和β的值，A和β的均值即为此种双晶成分相关的本征A值和β值。
[0016][0017][0018]其中：σ
FS
为疲劳强度；Θ为加工硬化率，b为位错伯氏矢量的模，l为位错运动的平均距离，ρ
c
为疲劳损伤位错密度容限，A可定义为材料的强化系数；n为材料疲劳损伤对晶界缺陷敏感指数；β为疲劳损伤位错密度转化率；σ
max
为疲劳试验的最大应力。
[0019]上述步骤(4)中，通过步骤(3)中的获得关键参数即本征参数A、n和β，然后将这些参数代入公式(1)和(2)中即可得定量化的双晶疲劳高温强度/寿命预测模型，从而可以预测特定成分同种工艺条件下任意晶界取向差双晶材料的高温疲劳强度/寿命。
[0020]本专利技术的优点和有益效果如下：
[0021]1、本专利技术方法是以少量晶界取向差下的疲劳实验预测其它晶界取向差下的疲劳性能为基本指导思想。通过建立疲劳强度、疲劳寿命与晶界取向差之间的本征关系，仅需测试少量晶界取向差下样品的高温疲劳性能即可实现所有同种处理工艺下任意晶界取向差镍基高温合金双晶材料的高温疲劳强度/寿命预测。利用该方法可有效减少工程材料开发、评价与选择过程中的疲劳实验，有望取代反复测试的传统抗疲劳设计方式，实现疲劳性能高效预测。
[0022]2本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种镍基高温合金小角晶界高温疲劳性能的快速预测方法，其特征在于：该方法是通过对相同工艺制备的不同晶界取向差镍基高温合金双晶材料进行疲劳实验，根据所得实验数据预测其它相同工艺所制备的任意晶界取向差镍基高温合金双晶材料的疲劳性能。2.根据权利要求1所述的镍基高温合金小角晶界高温疲劳性能的快速预测方法，其特征在于：该方法具体包括如下步骤：(1)选择3组以上品界取向差不同的同种工艺所制备双晶材料，确定晶界缺陷线密度随晶界取向差变化规律；(2)通过高温疲劳实验，测试所制备材料的疲劳性能；(3)通过拟合疲劳强度/寿命数据，获得所制备材料的关键参数(A、n和β)；(4)根据步骤(4)所得关键参数，利用定量化的双晶高温疲劳强度/寿命预测模型进行其它同种工艺制备镍基高温合金双晶材料在任意晶界取向差下的高温疲劳性能预测。3.根据权利要求2所述的镍基高温合金小角晶界高温疲劳性能的快速预测方法，其特征在于：步骤(1)中，通过显微实验观察晶界并确定晶界取向差，观察时双晶尤其是晶界区域要求保持原始形貌(未变形前)，观察时从低倍到高倍逐步聚焦于晶界区域，采用具有晶界取向分析功能的显微设备对双晶进行观察。4.根据权利要求2所述的镍基高温合金小角晶界高温疲劳性能的快速预测方法，其特征在于：步骤(1)中，所述同种工艺是指材料制备中材料成分(元素配比)和工艺参数均不改变的制备工艺；不同晶界取向差是指双晶材料制备中改变籽晶相同取向之间相对旋转角度从而使制备双晶晶界具有不同的晶界取向差(疲劳测试样品的选择须在同种工艺的不同晶界取向差下进行，选择晶界取向差小于15
°
且差别较大的3种以上双晶材料进行步骤(2)的疲劳性能测试)；认为晶界析出相线密度f随晶界取向差θ...

【专利技术属性】
技术研发人员：张振军，石东方，张鹏，张哲峰，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：