基于晶体粘塑性理论预测镍基超合金中雀斑缺陷的蠕变寿命

《Journal of Alloys and Compounds》：Predicting the Creep Life of Freckle Defects in Nickel-Based Superalloys based on crystal viscoplasticity theory

镍基超合金叶片中缺陷面积分数对蠕变寿命的影响研究，发现12%和62%缺陷使寿命分别下降38%和74%。通过晶体塑性理论及有限元分析，确定缺陷耐受面积分数范围为3%-6%。

　　本文研究了镍基定向凝固高温合金涡轮叶片中“瑕疵”缺陷对蠕变性能的影响，重点探讨了这些缺陷在高温、高应力条件下的破坏机制。通过从实际叶片中切割样本，对“瑕疵”区域的微观结构进行了系统分析，并结合晶体塑性理论和有限元分析方法，评估了不同“瑕疵”面积比例对蠕变寿命的影响。研究发现，随着“瑕疵”面积比例的增加，叶片的蠕变寿命显著下降，其中12%和62%的“瑕疵”面积比例分别使蠕变寿命比无“瑕疵”样本减少了38%和74%。这一结果表明，“瑕疵”缺陷对合金的蠕变性能具有显著的负面影响，尤其是在高温环境下，其导致的裂纹扩展路径和应力集中现象成为蠕变破坏的主要原因。

镍基定向凝固高温合金因其优异的高温强度和抗氧化性能，广泛应用于燃气轮机和航空发动机的涡轮叶片等高温部件中。随着重型燃气轮机对高功率输出和热效率的持续需求，涡轮入口温度不断提高，这不仅增加了叶片设计的复杂性，也对材料的性能提出了更高的要求。然而，随着合金中难熔元素的浓度增加，定向凝固过程中容易形成各种固态缺陷，如“瑕疵”和非期望的晶界。这些缺陷在叶片的铸造表面形成，通常表现为沿重力方向排列的随机取向的细小晶粒簇，影响了部件的整体结构完整性。

在以往的研究中，已经对“瑕疵”缺陷的形成机制进行了深入探讨。研究人员通过使用简化杆状铸造样本，模拟了涡轮叶片的凝固过程，并识别了多种“瑕疵”形成机制。例如，“瑕疵”可能在铸造角形成，由于局部元素富集导致；铸造截面的突变可能对“瑕疵”形成起到抑制或促进作用；而收缩坡则可能是“瑕疵”形成的优选位置。然而，实际涡轮叶片的截面具有更高的几何复杂性，因此简化杆状样本无法完全反映叶片的真实结构特征。使用实际叶片样本进行机械测试，可以更准确地获取材料性能数据，从而更好地评估叶片在实际运行条件下的表现。

由于晶界强度随着温度的升高而显著下降，涡轮叶片在离心载荷作用下，裂纹往往沿着横向晶界迅速扩展。而“瑕疵”缺陷的引入则进一步削弱了定向凝固合金的蠕变性能。此外，由于叶片的复杂形状和曲面的存在，采样位置受到很大限制，只能在非常小的区域内进行。为了解决这一问题，Eggeler等人提出了一种涡轮叶片核心采样方案，该方案能够更好地反映叶片的内在性能，而不仅仅是模拟样品的性能。然而，由于“瑕疵”缺陷的随机出现和分布，进行平行实验存在较大困难。

在不同载荷条件下，叶片的破坏机制也有所不同。在高温、低应力条件下，“瑕疵”样本的晶间裂纹主要通过由晶界滑动引发的楔形裂纹扩展。而在中温、高应力条件下，空洞的形成和扩展成为主要破坏机制，导致蠕变性能的严重下降。尽管已有研究揭示了“瑕疵”缺陷对叶片蠕变性能的影响，但其具体作用机制仍不够明确，需要进一步系统研究。

近年来，晶体塑性理论在有限元模拟中的应用取得了显著进展，为金属材料的微观结构与宏观力学行为之间的联系提供了有效的研究手段。Wen等人通过系统引入晶体各向异性参数，优化了计算框架，使模拟结果与实验测量之间具有更高的一致性。这种方法为金属部件的微观结构敏感建模建立了重要范式。然而，目前的研究主要集中在单晶样本或双晶样本上，尚未考虑位错缺陷的存在。

本文的研究目标是探讨“瑕疵”缺陷在重型燃气轮机用定向凝固高温合金涡轮叶片中的形成机制，并通过实验和模拟方法，分析不同“瑕疵”含量对蠕变寿命的影响。研究采用高率凝固技术制备了大尺寸的定向凝固涡轮叶片，并对叶片中的“瑕疵”区域进行了详细分析。通过从实际叶片中提取样本，制备了含有“瑕疵”和不含“瑕疵”的蠕变样本，并在高温条件下进行了蠕变测试。研究还结合晶体塑性理论和有限元方法，模拟了不同“瑕疵”含量下的蠕变破坏过程，以期为抑制“瑕疵”缺陷、提高叶片质量和可靠性提供理论依据和实践指导。

实验结果显示，无“瑕疵”样本在900°C/380MPa条件下的蠕变寿命为131.83小时，而含有“瑕疵”的样本蠕变寿命显著降低。通过晶体塑性理论和有限元分析，研究者能够更深入地理解“瑕疵”缺陷对材料蠕变性能的影响机制。这些方法不仅能够模拟材料在不同条件下的变形和破坏过程，还能揭示内部参数的变化趋势，从而为材料设计和制造提供更加全面的参考。

此外，研究还发现，“瑕疵”区域存在显著的应力集中现象，导致局部结构的弱化。这种弱化在高温和高应力条件下尤为明显，使得裂纹更容易在这些区域萌生并扩展。因此，通过优化铸造工艺参数，如温度梯度、拉速波动和模具壳温度分布，可以有效减少“瑕疵”缺陷的形成。同时，提高合金的纯度，减少坩埚和模具壳的污染，也是抑制“瑕疵”缺陷的重要措施。

研究还指出，表面氧化和腐蚀可能对“瑕疵”缺陷的形成和扩展产生影响。特别是在热处理过程中，氧化现象可能导致材料表面的弱化，从而加剧“瑕疵”缺陷的破坏作用。因此，通过优化热处理工艺，减少表面氧化和腐蚀，可以进一步提高叶片的耐久性和可靠性。

通过本次研究，不仅揭示了“瑕疵”缺陷对涡轮叶片蠕变性能的影响，还为未来在高温合金材料设计和制造过程中抑制“瑕疵”缺陷提供了新的思路和方法。这些研究成果对于提高燃气轮机和航空发动机的运行效率和使用寿命具有重要意义，同时也为相关领域的进一步研究奠定了基础。