基于晶体取向的镍基单晶合金的蠕变寿命预测方法

技术领域

本公开涉及镍基合金技术领域，尤其涉及一种基于晶体取向的镍基单晶合金的蠕变寿命预测方法。

背景技术

镍基单晶合金优异的高温力学性能主要来源于γ/γ'两相微观结构，其微观组织是由高体积分数(约65％)的面心立方结构的γ'沉淀相均匀地共格于γ基体相中形成的。

由于镍基单晶合金的高温性能具有明显的各向异性，在单晶叶片的制备中要求具有最小弹性模量的晶体取向和最大载荷方向一致，以减少热循环应力，但实际中往往获得的是晶体取向与载荷方向严重偏离或非择优生长取向的单晶，导致镍基单晶合金的蠕变寿命受到影响。

目前，还没有基于晶体取向对镍基单晶合金的蠕变寿命进行预测的方法。

所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本公开的目的在于提供一种基于晶体取向的镍基单晶合金的蠕变寿命预测方法，能够对镍基单晶合金的蠕变寿命进行预测，且能够减小由于晶体取向带来的不利影响，从而提高镍基单晶合金的蠕变性能。

为实现上述发明目的，本公开采用如下技术方案：

根据本公开的一个方面，提供一种基于晶体取向的镍基单晶合金的蠕变寿命预测方法，所述蠕变寿命预测方法包括：

对多个晶体取向不同的镍基单晶合金的试验件进行蠕变试验，以得到各个所述试验件的蠕变曲线；

对多个所述试验件的蠕变试验过程进行观测，以得到镍基单晶合金的滑移系开动规律；

基于所述蠕变曲线和所述滑移系开动规律，构建出所述试验件的蠕变本构模型和蠕变损伤模型；

基于所述蠕变本构模型和所述蠕变损伤模型，构建出所述试验件的寿命预测模型。

在本公开的一种示例性实施例中，基于所述蠕变曲线和所述滑移系开动规律，构建所述试验件的蠕变本构模型和蠕变损伤模型，包括：

基于所述蠕变曲线，获取所述试验件的蠕变曲线参数；

基于所述滑移系开动规律，获取所述试验件的滑移系参数；

基于所述蠕变曲线参数和所述滑移系参数，构建出所述蠕变本构模型和所述蠕变损伤模型。

在本公开的一种示例性实施例中，所述曲线参数包括温度蠕变参数、初始损伤率、临界分切应力、伯格斯矢量模和材料常数；所述滑移系参数包括滑移方向、滑移面单位法向量、材料筏化速率；所述基于所述蠕变曲线参数和所述滑移系参数，构建出所述蠕变本构模型和所述蠕变损伤模型，包括：

基于所述温度蠕变参数、所述滑移方向和所述滑移面单位法向量，构建出所述蠕变本构模型；

结合所述蠕变本构模型，基于所述初始损伤率、所述临界分切应力、所述伯格斯矢量模、所述材料常数和所述材料筏化速率，构建出所述蠕变损伤模型。

在本公开的一种示例性实施例中，所述蠕变本构模型满足如下第一关系式：

式中，

其中，σ为所述试验件在晶轴系下的应力张量；P

在本公开的一种示例性实施例中，所述蠕变损伤模型满足如下第二关系式：

式中，ω

τ

β为常数；χ为所述试验件的第三温度蠕变参数；φ为所述试验件的第四温度蠕变参数；

在本公开的一种示例性实施例中，所述蠕变的门槛应力τ

式中，G为所述试验件的剪切模量；b为所述伯格斯矢量模；λ为所述材料常数；κ为所述试验件的基体通道当前宽度，且

其中，κ

在本公开的一种示例性实施例中，所述阻碍应力

式中，c

其中，k

在本公开的一种示例性实施例中，所述临界分切应力τ

τ

式中，S

在本公开的一种示例性实施例中，所述初始蠕变剪应变率

式中，R为气体常数；T为绝对温度；Q为激活能。

在本公开的一种示例性实施例中，所述寿命预测模型满足如下第七关系式：

式中，t

公开实施方式的基于晶体取向的镍基单晶合金的蠕变寿命预测方法，在操作过程中，首先，对多个晶体取向不同的镍基单晶合金的试验件进行蠕变试验，以得到各个试验件的蠕变曲线；其次，对多个试验件的蠕变试验过程进行观测，以得到镍基单晶合金的滑移系开动规律和；然后，基于所蠕变曲线、滑移系开动规律和，构建出试验件的蠕变本构模型和蠕变损伤模型；最后，基于蠕变本构模型和蠕变损伤模型，构建出试验件的寿命预测模型。

由此，一方面，根据寿命预测模型即可计算出镍基单晶合金的使用寿命，从而为镍基单晶合金的实际使用提供借鉴；另一方面，也能够基于镍基单晶合金的寿命对晶体取向进行优化，有效减少由于晶体取向带来的不利影响，进一步提高镍基单晶合金的蠕变性能。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本公开实施方式基于晶体取向的镍基单晶合金的蠕变寿命预测方法的流程示意图。

图2是本公开实施方式晶体取向的示意图。

图3是本公开实施方式基体相中位错弓出越过强化相的示意图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施例。然而，示例实施例能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施例使得本公开将更加全面和完整，并将示例实施例的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施例的充分理解。

所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而没有所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、材料等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、材料或者操作以避免模糊本公开的主要技术创意。

虽然本说明书中使用相对性的用语，例如“上”“下”来描述图标的一个组件对于另一组件的相对关系，但是这些术语用于本说明书中仅出于方便，例如根据附图中所述的示例的方向。能理解的是，如果将图标的装置翻转使其上下颠倒，则所述在“上”的组件将会成为在“下”的组件。其他相对性的用语，例如“高”“低”“顶”“底”“左”“右”等也作具有类似含义。

当某结构在其它结构“上”时，有可能是指某结构一体形成于其它结构上，或指某结构“直接”设置在其它结构上，或指某结构通过另一结构“间接”设置在其它结构上。用语“一个”、“一”、“所述”用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等；用语“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等。用语“第一”和“第二”等仅作为标记使用，不是对其对象的数量限制。

本公开实施方式中提供一种基于晶体取向的镍基单晶合金的蠕变寿命预测方法，能够对镍基单晶合金的蠕变寿命进行预测。如图1所示，该基于晶体取向的镍基单晶合金的蠕变寿命预测方法可包括以下步骤：

步骤S110，对多个晶体取向不同的镍基单晶合金的试验件进行蠕变试验，以得到各个试验件的蠕变曲线；

步骤S120，对多个试验件的蠕变试验过程进行观测，以得到镍基单晶合金的滑移系开动规律；

步骤S130，基于蠕变曲线和滑移系开动规律，构建出试验件的蠕变本构模型和蠕变损伤模型；

步骤S140，基于蠕变本构模型和蠕变损伤模型，构建出试验件的寿命预测模型。

本公开实施方式的基于晶体取向的镍基单晶合金的蠕变寿命预测方法，一方面，根据寿命预测模型即可计算出镍基单晶合金的使用寿命，从而为镍基单晶合金的实际使用提供借鉴；另一方面，也能够基于镍基单晶合金的寿命对晶体取向进行优化，有效减少由于晶体取向带来的不利影响，进一步提高镍基单晶合金的蠕变性能。

下面对本公开实施方式提供的基于晶体取向的镍基单晶合金的蠕变寿命预测方法进行详细说明：

步骤S110，对多个晶体取向不同的镍基单晶合金的试验件进行蠕变试验，以得到各个试验件的蠕变曲线。

易于理解的是，在步骤S110之前，还需进行以下操作：

首先，铸造出多种晶体取向不同的镍基单晶合金，举例而言，镍基单晶合金的种类可以为三种，如图2所示，相应的晶体取向可分别记为[001]、[010]和[100]，且[001]、[010]和[100]互相垂直；其次，对三种镍基单晶合金进行加工，以得到三个晶体取向不同的试验件，当然，三个试验件的晶体取向分别为[001]、[010]和[100]，此处不再详细描述；最后，对三个试验件进行测试并获取每个试验件的原始微观结构信息，具体的测试过程此处不再详细介绍。

在步骤S110中，可将多个晶体取向不同的镍基单晶合金的试验件分为三组，三组试验件分别在高温(1000℃以上)、中温(800℃～1000℃)和低温(800℃以下)下进行蠕变试验。如前所述，试验件的个数可以为三个，相应地，三个试验件分别在高温、中温和低温下进行蠕变试验，从而得到三个试验件的蠕变曲线。

步骤S120，对多个试验件的蠕变试验过程进行观测，以得到镍基单晶合金的滑移系开动规律。

具体而言，采用扫描电镜(SEM)观测蠕变过程中微结构演化过程，得到强化相的粗化、微裂纹形成、微裂纹扩展及断裂方式等信息，从而获得镍基单晶合金的。同时，采用透射电镜(TEM)对蠕变初期[001]、[010]和[100]三种取向的试验件的位错形貌进行观测，得到表面层位错的类型、产生和增值、晶体滑移特性等微观组织演变信息，从而获得镍基单晶合金的滑移系开动规律。

步骤S130，基于蠕变曲线和滑移系开动规律，构建出试验件的蠕变本构模型和蠕变损伤模型。详细介绍，步骤S130可包括以下步骤：

步骤S1301，基于蠕变曲线，获取试验件的蠕变曲线参数。具体而言，蠕变曲线参数可包括温度蠕变参数、初始损伤率、临界分切应力、伯格斯矢量模和材料常数等，此处不再一一介绍；

步骤S1302，基于滑移系开动规律，获取试验件的滑移系参数。具体而言，滑移系参数包括滑移方向、滑移面单位法向量、材料筏化速率等，此处也不再一一介绍；

步骤S1303，基于蠕变曲线参数和滑移系参数，构建出蠕变本构模型和蠕变损伤模型。

具体而言，步骤S1303包括以下两个步骤：

步骤S13031，基于温度蠕变参数、滑移方向和滑移面单位法向量，构建出蠕变本构模型；步骤S13032，结合蠕变本构模型，再基于初始损伤率、临界分切应力、伯格斯矢量模、材料常数和材料筏化速率，构建出所蠕变损伤模型。

其中，蠕变本构模型可满足如下第一关系式：

式中，

其中，σ为试验件在晶轴系下的应力张量；P

需要注意的是，试验件的本构模型还可用蠕变变形应变率来表征，且蠕变变形应变率可记为

式中，

再将蠕变应变分解：

其中，

另外，C

其中，C

为了得到弹性模量E、泊松比μ和剪切模量G，需要对试验件进行拉伸试验，并得到试验件的拉伸曲线，然后对得到的拉伸曲线进行拟合，进而求解出弹性模量E、泊松比μ和剪切模量G。

由于镍基单晶合金为各向异性材料，各向异性弹性张量C

C

其中，

式中，l、m和n是模型坐标轴O-X-Y-Z轴在晶体轴o-x-y-z中的方向余弦，晶体轴即为[001]、[010]和[100]三个晶体取向，此处不再详细描述。

同时，蠕变损伤模型可满足如下第二关系式：

下面对第二关系式中各个参数进行详细介绍：

①ω

因此，蠕变门槛应力τ

式中，G为试验件的剪切模量；b为伯格斯矢量模；λ为材料常数；κ为试验件的基体通道当前宽度，且

其中，κ

④

式中，c

其中，k

⑤τ

τ＝S

式中，S

表1三个取向滑移系的S

如前所述，对试验件进行拉伸试验可得到试验件的拉伸曲线，相应地，根据拉伸曲线可得到屈服应力σ

⑥

式中，R为气体常数；T为绝对温度；Q为激活能，六面体滑移系的Q值为7.3×10

⑦χ为试验件的第三温度蠕变参数，φ为试验件的第四温度蠕变参数，二者均可由试验件的蠕变曲线获取，且随滑移系的变化而发生改变；β为常数，此处不再详细描述。

步骤S140，基于蠕变本构模型和蠕变损伤模型，构建出试验件的寿命预测模型，且寿命预测模型可满足如下第七关系式：

式中，t

需要注意的是，在对试验件的断裂时间(寿命)进行预测前，需要对试验件的失效形式进行判断，具体而言，首先用R

其次，当

当

当

应当理解的是，本公开不将其应用限制到本说明书提出的部件的详细结构和布置方式。本公开能够具有其他实施方式，并且能够以多种方式实现并且执行。前述变形形式和修改形式落在本公开的范围内。应可理解的是，本说明书公开和限定的本公开延伸到文中和/或附图中提到或明显的两个或两个以上单独特征的所有可替代组合。所有这些不同的组合构成本公开的多个可替代方面。本说明书所述的实施方式说明了已知用于实现本公开的最佳方式，并且将使本领域技术人员能够利用本公开。