離心力導致的蠕變損傷是單晶合金葉片的主要失效機制,因此持久強度是單晶合金的重要性能指標,人們已對蠕變變形和斷裂行為及微觀(guān)機制進(jìn)行了深人研究。蠕變行為的重要特點(diǎn)是具有拉壓不對稱(chēng)性和各向異性,Kakehi 發(fā)現鎳基單晶高溫合金在蠕變載荷下仍表現出拉壓不對稱(chēng)性,但與屈服強度的不對稱(chēng)性具有不同的原因,被歸結為是否產(chǎn)生孿晶。[001] 和[011]取向均可產(chǎn)生孿晶,因而持久強度具有拉壓不對稱(chēng)性,而[111]方向的蠕變只與位錯運動(dòng)有關(guān),所以無(wú)此特征。


  單晶高溫合金的蠕變性能與晶體取向密切相關(guān),具有各向異性。樣品晶體取向與準確取向存在較小偏離度時(shí),即會(huì )給性能帶來(lái)顯著(zhù)影響。當偏差大于一定值時(shí),甚至會(huì )使單晶的性能優(yōu)勢喪失。因此就蠕變性能與晶體取向關(guān)系已進(jìn)行了大量的研究。彭志方 和Sass 均認為蠕變強度與參加變形的基體通道數目有關(guān),[001]、[011]和[111]取向中參加變形的基體通道數分別為1、2、3個(gè),因此,蠕變速率依次增大,尤其是[111]取向中,螺型位錯沿{100}面滑移時(shí)幾乎不受任何阻礙。但也有作者認為立方滑移的跡線(xiàn)僅是多次八面體交滑移造成的,Mackay 等人的研究表明,MAR-M247 和 MARM200單晶合金在760℃時(shí)的持久壽命按[111],[001]和[011]次序降低,Matan 和Sass 的結果顯示,在中溫范圍內,單晶合金的蠕變性能,尤其瞬態(tài)蠕變量和蠕變速率對偏離[001]的角度差非常敏感,而在高溫時(shí)則顯著(zhù)減小,但是大多關(guān)于單晶高溫合金各向異性的研究中,注意力主要集中在晶體學(xué)方面,很少同組織因素尤其是凝固過(guò)程中形成的枝晶結構結合起來(lái)。


 單晶高溫合金蠕變過(guò)程中,由于溫度和應力的共同作用,微觀(guān)組織方面產(chǎn)生許多獨特的變化,如界面位錯網(wǎng)的形成,界面附近合金元素濃度的變化,但最為引人注目的特征是形成所謂的筏狀組織,即γ'相沿某個(gè)方向發(fā)生走向粗化,Tien和 Copley 首先詳細研究了[001]取向鎳基單晶合金中的γ'形筏現象,同樣的現象相繼在其他文獻中被確認。Fredhiolm 等人根據筏狀γ'相的不同特征將其分為兩種類(lèi)型:一種為N型,筏狀γ'相垂直于外加應力方向;另一種為P型,筏狀γ'相平行于外加應力方向。它們分別在不同的合金結構和應力條件下形成,負錯配度的合金受拉應力或正錯配度合金受壓應力條件下形成N型筏,負錯配度合金受壓應力或正錯配度的合金受拉應力時(shí)形成P型,筏狀γ'相一些與此規律相矛盾的實(shí)驗結果被認為是缺少高溫下錯配度的信息,因為γ相和γ'相的熱膨脹系數不同,某些合金室溫和高溫時(shí)的錯配度可能具有不同的符號。由于合金和實(shí)驗條件的不同,也有關(guān)于γ'形筏新類(lèi)型的報道,彭志方觀(guān)察到γ'相在蠕變過(guò)程中形成垂直于應力軸的層片狀結構,田素貴觀(guān)察到γ'相垂直于應力軸的篩網(wǎng)狀結構??傊?,γ'形筏方式具有多樣性,可能表現出不同方式和規律。


 許多研究者認為,γ'形筏起源于應力導致的合金元素的定向擴散,應力梯度是由γ/γ'錯配應力和外加應力疊加產(chǎn)生的。應力的影響甚至超過(guò)濃度梯度的作用,在應力梯度的作用下,γ'相形成元素鋁、鈦、鉭等和γ相形成元素鉻、鉬等沿相反的方向擴散,導致γ'相沿特定方向增長(cháng),然后不同的γ'相互相連接,便形成了完善的筏形。因此,γ'形筏過(guò)程動(dòng)力學(xué)呈現非線(xiàn)性特征,可分為三個(gè)階段:第一階段受合金元素的定向擴散控制,定向伸長(cháng)較??;第二階段由γ'互相連接實(shí)現,γ'相長(cháng)寬比迅速增大;第三階段γ'相定向伸長(cháng)的速度迅速降低,這是由于元素定向擴散的驅動(dòng)力減小,擴散距離增大所致。并且筏狀γ'相排列不整齊阻礙了進(jìn)一步連接。其動(dòng)力學(xué)曲線(xiàn)如圖1-7所示,圓圈和三角分別為透射電鏡和X光測定結果。


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 γ'相作為鎳基單晶高溫合金的強化相,其形筏過(guò)程不僅產(chǎn)生形貌演變,還會(huì )導致界面位錯的形成,以及帶來(lái)界面附近合金元素濃度的變化,因此會(huì )對合金的力學(xué)性能產(chǎn)生重要影響。人們已對此進(jìn)行了大量研究,但不同研究者的結果不盡相同。Mughrabi 等研究者認為,N型筏狀結構降低材料的高溫疲勞性能,而P型筏改善了材料的疲勞性能。Tetzlaff 等人的結果表明預壓縮能提高蠕變強度但無(wú)助于延長(cháng)持久壽命。Nathil等人的研究結果表明,具有y相筏狀結構的試樣蠕變速率比立方形y'相試樣高兩倍,蠕變強度降低。Pearson 等人認為,γ'形筏后改變了γ相與γ'相的連接方式,使γ體由包圍著(zhù)而變?yōu)殍偳对讦孟嘀?,使材料失去變形能力而易于斷裂。Schneidao形損害了CMSX-4合金在800℃ 和 950℃時(shí)的蠕變性能。有關(guān)γ'形筏對材料性能的影響仍需進(jìn)一步研究。