镍基单晶高温合金力学行为的多尺度模拟研究

摘要

镍基单晶高温合金具有优异的高温力学性能，是燃气轮机和航空发动机热端部件（叶片）的首选材料。高温合金力学性能的提升及合理的结构设计能够有效提高燃气轮机和航空发动机的工作效率及可靠性。另一方面，镍基高温合金优良的高温力学性能源于其独特的两相微结构，对其高温力学行为进行多尺度研究，揭示其在高温下的变形机理，发展基于微结构信息的晶体塑性本构理论，是固体力学和材料科学的前沿课题，具有重要的理论意义和潜在的应用前景。
　　为了从微观尺度研究镍基单晶高温合金的变形与损伤行为及其内在机理，本文从镍基高温合金的两相微结构（γ基体相和γ′沉淀相）入手，借助于分子动力学（MD）方法，首先，对两相界面上由于晶格不匹配引起的位错网的演化、界面上失配位错与基体中位错之间的交互作用及其机理进行了研究；随后，对氢对界面失配位错网动态演化的影响及氢致界面损伤演化等关键问题进行了模拟研究；在此基础上，结合现有离散位错动力学研究的成果，提出并实现了一套基于两相微结构及位错演化机制的镍基单晶高温合金本构模型，计算模拟和实验结果的对比表明，该本构模型对镍基高温合金在较宽温度及荷载范围内的多种变形行为均具有较好的描述能力。本文的主要研究内容和创新点有：
　　（1）采用分子动力学模拟方法，研究了基体位错在狭窄基体通道内的“弯弓滑移”机制及“位错弯弓强度”，重点探讨了两相界面上失配位错网对它们的重要影响，并给出了基体位错弯弓滑移的临界应力公式。分子动力学模拟表明，当基体位错与界面位错间的相对距离较近时，两者间的交互作用或位错反应将使体系的总能量发生改变，从而对位错在基体通道内的临界弓出强度产生显著的影响。基体位错在狭窄的基体通道内弯弓滑移时，其尾部位错段会沉积在γ/γ′两相界面上，如果在界面上沉积的基体位错为纯螺型，基体位错与界面位错间的位错反应会导致基体位错的临界弓出应力明显降低；然而，如果沉积在γ/γ′两相界面上的基体位错为60°混合型位错时，基体位错与界面位错之间的交互作用会导致基体位错的临界弓出应力明显升高。在此基础上，结合位错理论分析，本文修正了经典的Orowan公式，给出了基体位错在通道内弯弓滑移的临界应力表达式，合理地预测了分子动力学的模拟结果。
　　（2）采用分子动力学模拟方法，研究了被γ/γ′两相界面捕捉的氢在界面位错网动态演化、原子级空位形核及界面损伤中扮演的重要作用，探讨了温度对氢致界面位错演化及氢致界面损伤的影响。分子动力学模拟结果表明，被两相界面捕捉的氢原子能够促进区域内的空位形成，尤其在较低的温度及较高的氢浓度下，氢原子能显著促进界面空位的形成；同时，氢原子还能够促进界面位错网中位错段间的反应和界面位错的分解，导致界面位错网的形状由方格形转变为六边形，并产生大量的L-C锁结构，加剧了界面位错网的破坏和界面损伤。
　　（3）基于代表体胞模型及分块均匀化方法，以位错密度为主要内变量，发展了一套包含两相微结构和位错演化信息的镍基单晶高温合金晶体塑性本构模型，并在商用有限元软件 ABAQUS的框架下，编制了 UMAT用户材料子程序，模拟了镍基单晶高温合金在不同温度下的多种变形机制，得到了与实验一致的有限元模拟结果。基于分子动力学和现有离散位错动力学模拟的结果，通过考虑包括基体位错的八面体滑移及弓出、螺位错的“锯齿形”交滑移、位错沿相界面的攀移-滑移耦合运动、位错切过沉淀相、以及位错 Kear-Wilsdolf（K-W）锁的形成等在内多种重要变形机制，本模型“统一地”地刻画了镍基高温合金在不同温度、不同方向下的多种变形行为，得到了与实验一致的计算模拟结果，初步证实了本文模型具有较强的预测能力。

目录

声明

1 绪论

1.1 引言

1.2 镍基单晶高温合金的结构和特性

1.3 国内外研究进展

1.4 本文的研究内容及安排

2 镍基单晶高温合金中基体位错与界面失配位错网间的相互作用机理及其定量表征

2.1 引言

2.2 分子动力学模型和模拟方法

2.3 计算结果与讨论

2.4 本章小结

3 镍基单晶高温合金中氢致界面损伤机理研究

3.1 引言

3.2 分子动力学模型和模拟方法

3.3 计算结果及分析

3.4 本章小结

4 基于微结构及位错演化机制的镍基单晶高温合金晶体塑性本构及其有限元实现

4.1 引言

4.2 含两相微结构及位错演化信息的晶体塑性本构模型

4.3 模型参数确定及描述能力验证

4.4 分析与讨论

4.5 本章小结

5 全文总结与展望

5.1 本文工作总结

5.2 未来研究工作展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间发表论文目录

附录2 攻读博士学位期间参与的科研项目