典型难熔合金元素掺杂对镍基单晶高温合金高温变形机理的影响及多尺度表征

批准号：

12072121

项目类别：

面上项目

资助金额：

63.0 万元

负责人：

李振环

依托单位：

华中科技大学

学科分类：

极端条件下材料与结构力学

结题年份：

2024

批准年份：

2020

项目状态：

已结题

项目参与者：

李振环

关键词：

晶体塑性位错动力学构-效关联镍基单晶高温合金多尺度力学

项目摘要

结项摘要

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中文摘要

镍基单晶高温合金是航空发动机和燃气轮机叶片首选材料。以"先进镍基单晶高温合金研制及高温力学性能表征"这一重大需求为牵引，聚焦典型难熔金合元素（Re,Ru,Cr,Ta等）在先进镍基单晶高温合金研制开发中扮演的关键角色，我们拟围绕“微观组分-介观结构-宏观力学性能”跨尺度关联这一关键科学问题，综合多尺度实验观测、理论分析和计算模拟等手段，研究典型难熔合金元素在镍基单晶高温合金中的分布及其在不同维度缺陷附近的偏析行为；揭示典型难熔合金元素对镍基单晶高温合金中γ/γ’两相微结构及位错微结构演化的显著影响及其物理机制，建立它们与两相微结构、位错微结构演化间的定量关联；发展高效的多尺度计算框架，实现对镍基单晶高温合金“微观组分-介观结构-宏观力学性能”的定量模拟和表征。研究成果将为先进镍基单晶高温合金研制中的组分优化、微结构调控及高温力学行为的多尺度定量表征等关键问题的解决提供理论指导及技术支持。

英文摘要

Advanced nickel base single crystal superalloy is the preferred material for aero-engine and gas turbine blades. Driven by the major demand of preparation and development of advanced nickel base single crystal superalloy and characterization of its high temperature mechanical properties, we will focus on the key role of typical refractory alloying elements（Re，Ru， Cr，Ta etc.） doping in the preparation and development of advanced nickel base single crystal superalloy, and pay a special attention to the key scientific issue of multi-scale correlation of micro-composition, meso-structure and macro-mechanical properties. To this end, the multi-scale experiment measurements, theoretical analyses and calculation simulations are comprehensively applied. First, the distribution of typical refractory elements in nickel base single crystal superalloy and their segregation behavior near multi-defects will be studied. Then, the influence of typical refractory alloying elements on the dynamic evolution of γ / γ' two-phase microstructure and dislocations pattern in nickel base single crystal superalloy and their physical mechanisms will been revealed, and some quantitative relations between refractory elements distribution and γ/γ' two-phase microstructure and dislocations pattern evolution will be established. Based on these, a multi-scale calculation framework will be developed, through which the multi-scale correlation between micro-composition, meso-structures and macro mechanical properties of nickel base single crystal superalloy can be characterized quantitatively. This multi-scale calculation framework can provide theoretical and computational supports for micro-composition optimization, microstructure control and multi-scale quantitative characterization of high temperature mechanical behavior of advanced nickel base single crystal superalloys.

由于其独特的 γ/γ' 两相微结构以及在该微结构中发生的位错运动及其演化，镍基单晶高温合金展现出卓越的高温力学性能。为了实现对先进镍基单晶高温合金的组分优化、微结构调控及高温力学行为表征的多尺度定量关联，需要发展能关联“微观组分-细观微结构-宏观力学性能”多尺度/多场耦合理论及计算方法。.本项目围绕“微观组分-细观结构-宏观力学性能”多尺度关联这一关键科学问题，通过宏-细-微观多尺度理论建模和计算模拟，系统深入地研究了典型难熔合金元素铼掺杂对镍基单晶高温合金高温变形机理的影响。在微观原子尺度上，基于密度泛函理论（DFT）的半离散和全离散派纳模型，研究了γ'相L12结构中的超位错结构及其稳定性，阐释了镍基高温合金γ'沉淀相（Ni3Al）中<110>超位错的反常温度依赖性。借助于分子动力学（MD）模拟，研究了Re在γ/γ'两相微结构中的分布及其在γ/γ'界面附近的偏析；揭示了Re对γ相基体通道内多种位错滑移机制以及位错切割γ'沉淀相等的影响，建立了Re含量与位错运动阻力间关系。在细观微结构尺度上，发展了三维离散位错动力学（3D-DDD）算法，研究了γ相基体通道中的位错交滑移机制及其对镍基单晶高温合金变形行为的重要影响。发展了考虑Re效应的相场模型及计算模拟方法，揭示了Re浓度、应力以及γ相初始形貌等因素对γ'沉淀相筏化的影响。在宏观连续晶粒尺度上，基于包含两相微结构的代表性体积单元（RVE）模型，发展了考虑Re效应的晶体塑性本构模型，揭示了Re扩散及偏析、Re浓度、两相晶格失配度等因素对镍基单晶高温合金瞬时塑性和蠕变行为的影响。采用基于摄动分析的细观力学均匀化方法，建立了基于RVE的晶体塑性本构模型及FEM算法，重点考虑了Re对两相微结构中多种位错演化机制及γ'沉淀相筏化的影响，成功预测了镍基单晶高温合金在不同温度、加载速率和加载方向下的瞬时塑性和长时间蠕变行为，以及Re掺杂对这些力学行为的影响。研究成果可先进镍基单晶高温合金的组分优化（如Re掺杂量）、微结构调控（如γ'相筏化）及高温力学行为定量表征提供多尺度/多场耦合理论及模拟软件。.该项目圆满完成了预定研究目标。执行期间，培养了4名青年教师，1名博后，5名博士生，4名硕士生。项目成员积极参与国内外学术交流，举办了3次国内高水平学术会议。通过该项目的支持，项目负责人领导的极端环境力学研究团队的建设得到加强。