镍基单晶高温合金力学性能各向异性的研究进展

镍基单晶高温合金凭借优良的高温力学性能和组织稳定性而成为目前制造先进航空发动机和燃气轮机叶片的主要材料,其力学性能各向异性对涡轮叶片的服役性能和安全可靠性至关重要,受到叶片设计师和制造专家的高度重视.为了满足更严苛的使用要求,国内外都在不断研发新型的镍基单晶高温合金来提升叶片承温能力,但是对新型合金力学性能各向异性的研究还不是很全面,对新添加元素的作用机理也有待进一步的研究.近些年来,国内外相关研究表明,镍基单晶高温合金力学性能各向异性与温度、应力等因素有关,不同的单晶合金表现出不同的规律.镍基单晶高温合金的拉伸性能具有明显的各向异性,随着温度的升高,其原子扩散能力增强,开动滑移系的数量增多,拉伸性能的各向异性减弱.随着合金成分中难熔元素含量的增加,滑移系的位错交截概率或变形协调性发生变化,合金表现出不同的拉伸性能各向异性.在中温高应力条件下,合金蠕变性能存在显著的各向异性.随着应力的升高,[001]取向的蠕变性能显著降低,[111]取向变化较小,这与应力变化对滑移系数量的影响有关.随着难熔元素含量的增加,合金不同取向滑移系的开动和层错的形成更容易,从而影响蠕变性能的各向异性.在高温低应力条件下,[111]取向蠕变性能较好,[001]和[011]取向较差,但蠕变各向异性减弱.低周疲劳性能也具有明显的各向异性,[001]取向的疲劳寿命最长,[011]取向次之,[111]取向最短;而高周疲劳性能按[111]、[001]、[011]取向的顺序依次降低,主要与弹性模量、滑移系开动的数量和Schmid因子等因素有关.本文详细介绍了镍基单晶高温合金拉伸、蠕变、疲劳等力学性能各向异性的研究进展,揭示了不同晶体取向合金的失效机理,分析了新型镍基单晶高温合金力学性能各向异性相关研究存在的问题并展望其前景,以期为未来镍基单晶高温合金在航空发动机涡轮叶片上的应用提供有益参考.