镍基单晶高温合金喷丸层塑性变形行为及其表征研究

摘要

DD3镍基单晶高温合金因具有比传统高温合金更优异的抗高温氧化和良好的蠕变抗力，近年来已成为国内外制备航空航天发动机涡轮叶片的关键材料。喷丸处理可以优化合金材料表层的组织结构并引入残余压应力，是目前提高合金材料表面性能的重要手段之一。在实际应用中，为了保证航天发动机在服役期间稳定运行，涡轮叶片，尤其是叶根部需要进行一定的喷丸处理。因而，研究喷丸对镍基单晶高温合金性能的影响具有科学研究与实际意义。本文首先通过非对称X射线衍射摇摆曲线法，测定了 DD3镍基单晶高温合金的晶体取向。一方面，对 DD3表面进行磨削加工处理，采用改进了的X射线单晶残余应力测定技术测量其应力值，以研究磨削加工表面的应力分布和该测量方法的可靠性。另一方面，采用不同的喷丸工艺对DD3表面进行喷丸处理，研究了喷丸工艺参数对DD3表层微观组织、残余应力分布，以及镶嵌块原始取向的影响，考察了高温下喷丸组织结构的回复与再结晶以及残余应力的热松弛行为，表征了喷丸层的力学性能，并探讨了喷丸引起的塑性变形行为。
　　通过非对称X射线衍射摇摆曲线法，对DD3晶体取向进行了测定，结果表明其晶体学取向为[001]，取向的偏离度约为6.1°。对传统的X射线单晶残余应力测量技术进行改进，并对DD3磨削加工表面的应力状态进行测量，结果表明，5次测量的误差不超过±20MPa，说明该方法具有比较高的测量精度及可靠性。
　　采用不同喷丸工艺对 DD3进行喷丸处理。结果表明，喷丸后 DD3残余应力分布依赖于其晶体学取向。0.15mmA喷丸强度下，[111]与[001]取向残余应力分布相对均匀，且具有较高的残余压应力值。当取向一定时，喷丸残余应力值与测量方向密切相关，延长喷丸时间、增加喷丸强度以及复合喷丸，均能提高残余应力值及其均匀性。0.25+0.1mmA喷丸强度下，DD3喷丸表面残余应力分布各向同性，但到一定层深，应力分布呈现各向异性，<110>方向具有较大残余压应力值和影响层深。考察了DD3喷丸残余应力的热松弛行为，证实高温环境中，喷丸残余应力随温度和时间的变化符合Zener-Wert-Avrami规律，其松弛激活能为126.5 kJ/mol。残余应力热松弛行为亦呈现各向异性，沿<110>方向应力松弛最为迅速。采用Barlat三参数模型对喷丸过程进行数值模拟发现，各向异性材料DD3喷丸表面残余应力分布以及沿层深分布的理论计算均与实测结果具有相似的变化规律。
　　利用XRD线形分析方法研究了DD3喷丸层组织结构的变化，并对几种常用的线形分析方法的计算结果进行了对比。将Rietveld全谱拟合分析方法，并结合PoPa各向异性模型，表征了DD3喷丸层沿不同衍射方向微结构的变化，并获得层错几率、晶块尺寸的对数正态分布。结果表明，喷丸后DD3表层材料呈现多晶体的衍射信息，且线形明显宽化。提高喷丸强度和覆盖率，均可以促使形变层晶块细化、位错增殖。但沿不同衍射方向，其微结构及其演变存在明显差异，(200)衍射方向微结构的变化最为显著。晶体取向不同，其塑性变形能力亦不相同。0.15mmA喷丸强度下，[111]与[001]取向形变层晶块明显细化，位错密度显著增高，而且择优取向程度较低。
　　喷丸能使DD3的初始取向显著弱化，喷丸过程中变形方向的随机性以及晶块取向趋于无序化是引起DD3初始取向弱化的主要原因。当喷丸强度为0.5+0.1mmA时，表面织构基本被消除，次表层织构呈现多样化，在层深100μm处出现强{011}<011>织构，而200μm处只呈现原始取向，表明变形层的深度约200μm。随着变形层深度的增加，晶块尺寸逐渐增大，而显微畸变和位错密度值逐渐降低。高温下，DD3喷丸组织发生了回复与再结晶，晶块长大，而显微畸变逐渐降低。等温退火条件下， DD3晶块长大激活能和显微畸变松弛激活能分别为236 kJ/mol、215 kJ/mol。
　　表征了 DD3喷丸层的力学性能，0.15mmA喷丸强度下，[001]、[011]及[111]取向样品表面的硬度值分别提高了70％、59%及24%。其性能的改善主要取决于两个因素：1)喷丸在形变层内产生了高水平残余压应力，2)喷丸使形变层内位错增殖、晶块细化，从而提高了其表面屈服强度。

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第1章 绪论

1.1镍基单晶高温合金研究进展和现状

1.2 镍基单晶高温合金的塑性变形机制

1.3 喷丸技术的发展历程和现状

1.4 喷丸残余应力

1.5 喷丸组织结构的表征

1.6 选题意义及研究内容

参考文献

第2章 实验材料与研究方法

2.1 实验材料

2.2 实验方法

第3章DD3镍基单晶合金取向和磨削加工表面应力的测定

3.1 DD3取向的测定

3.2磨削加工表面残余应力测定

3.3 本章小结

参考文献

第4章 DD3镍基单晶高温合金喷丸残余应力研究

4.1 DD3喷丸残余应力分布的特征

4.2 喷丸工艺对DD3残余应力分布的影响

4.3 DD3喷丸残余压应力场

4.4 DD3喷丸残余应力的热松弛行为研究

4.5 DD3喷丸残余应力的数值模拟

4.6本章小结

参考文献

第5章 DD3喷丸形变层组织结构

5.1 DD3喷丸形变层组织结构衍射线形

5.2 DD3喷丸形变层组织结构的XRD线形分析

5.3晶体取向对DD3喷丸形变层组织结构的影响

5.4不同喷丸工艺下DD3组织结构

5.5 DD3喷丸形变层组织结构的回复与再结晶行为

5.6 喷丸处理对DD3原始取向的影响

5.7本章小结

参考文献

第6章 DD3喷丸形变层力学性能以及影响因素

6.1 DD3喷丸形变层力学性能

6.2喷丸残余压应力对材料性能的影响

6.3喷丸形变组织对材料性能的影响

6.4本章小结

参考文献

第7章 结论与创新

本文主要结论

本文主要创新

有待进一步开展的工作

攻读博士学位期间发表论文及申请专利

致谢

答辩决议书