Ni3Al基單晶高溫合金薄壁效應基礎研究

《Ni3Al基單晶高溫合金薄壁效應基礎研究》是依託北京航空航天大學，由李樹索擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：Ni3Al基單晶高溫合金薄壁效應基礎研究
• 依託單位：北京航空航天大學
• 項目負責人：李樹索
• 項目類別：面上項目

項目摘要

Ni3Al基單晶合金具有低密度、高強度等優點，是先進航空發動機渦輪葉片理想的候選材料。先進航空發動機渦輪葉片具有薄壁、內腔與外形複雜等特點，單晶合金的薄壁效應十分顯著，目前Ni3Al基單晶合金薄壁效應的研究在國內還是空白，本項目針對這一問題開展研究具有重要的套用價值。項目擬採用計算機模擬與實驗相結合的方法研究Ni3Al基單晶合金薄壁與變截面試樣的單晶生長規律，闡明尺寸效應對定向凝固溫度場、固液界面形貌、熱流方向等單晶生長控制參數的影響機理，建立尺寸效應與合金單晶完整性的關係；研究Ni3Al基單晶合金尺寸效應和單晶完整性對持久、蠕變、疲勞等主要力學性能的影響機制，研究Ni3Al單晶合金薄壁試樣表面狀態，如氧化膜、塗層和粗糙度等對力學性能的影響機制，建立Ni3Al基單晶合金薄壁樣品的失效模式，實現Ni3Al基單晶合金複雜薄壁葉片的單晶生長可控，為Ni3Al基單晶合金工程化套用奠定堅實的基礎。

結題摘要

Ni3Al基單晶合金具有低密度、高強度等優點，是先進航空發動機渦輪葉片理想的候選材料。先進航空發動機渦輪葉片具有薄壁、內腔與外形複雜等特點，單晶合金的薄壁效應十分顯著，目前Ni3Al基單晶合金薄壁效應的研究在國內還是空白，本項目針對這一問題開展研究具有重要的套用價值。設計了不同類型的變截面薄壁樣品，對其充型及凝固行為展開了研究，與厚壁相比，當壁厚減小到0.6mm已經產生了部分欠鑄，但是通過更改澆注方式以及設計變截面可以避免欠鑄，但是對於壁厚0.2mm的試樣，達到了合金充型的最小壁厚。壁厚與單晶的生長及取向生長沒有明顯影響。單純考慮壁厚變化,隨著樣品尺寸減小，一次枝晶間距減小，且枝晶間和枝晶乾偏析減小。在變截面樣品中，薄壁試樣容易受到遺傳歷史和外界環境影響，從而造成枝晶生長行為發生改變。薄壁固液界面形貌與厚壁沒有明顯區別，但是熱流方向對薄壁的試樣枝晶生長行為影響更大；研究了Ni3Al基單晶合金尺寸效應對持久、蠕變力學性能的影響機制，應力應變行為對於不同壁厚發生改變，從而使得合金在薄壁試樣更容易產生應力集中，導致在較大應力下，產生蠕變孔洞，蠕變孔洞處產生裂紋使得合金失效，且薄壁的氧化層使得合金的整體成分發生變化，尤其是Mo的揮發，雖然抗氧化性能提高，但是合金強度下降。 研究了Ni3Al單晶合金薄壁試樣表面狀態，氧化膜、塗層對合金的抗氧化性能影響。發現薄壁的抗氧化性能比厚壁更好，0.1mm試樣氧化對其芯部組織產生明顯影響，但是當壁厚增大到0.3mm時，其芯部組織不受氧化影響。薄壁試樣的塗層相對於厚壁更應該控制二次反應區的厚度以及對基體組織的影響，設計了兩種塗層Pt+Al和單純滲Al，發現通過預先鍍Pt可以減小二次反應區，而且氧化對基體的組織影響很小，而直接滲Al明顯產生了r’-reduced 的區域。單一滲鋁試樣的增重趨勢較為明顯，增重曲線基本符合拋物線規律，△w^2=kt而鍍Pt後滲鋁試樣在氧化循環增重一直較為穩定。