原子模擬錸對鎳基單晶高溫合金低周疲勞的影響1)

丁子峻 申宏飛 吳文平

(武漢大學土木建筑工程學院工程力學系,武漢 430072)

引言

鎳基單晶高溫合金由于具有優(yōu)異的抗蠕變、抗疲勞和抗氧化等力學性能,被廣泛應用于制作航空發(fā)動機和重型燃氣輪機的渦輪葉片材料[1-4].隨著航空發(fā)動機的不斷發(fā)展和對推重比的要求不斷提高,對鎳基單晶高溫合金的性能要求也逐漸增加.研究發(fā)現(xiàn),向鎳基單晶高溫合金中添加錸(Re)可以有效提高鎳基單晶高溫合金的蠕變性能,提高高溫合金的蠕變壽命[5-7].因此,向鎳基單晶高溫合金中添加Re 成為發(fā)展航空發(fā)動機渦輪葉片的一項經(jīng)典方式,而鎳基單晶高溫合金的發(fā)展也按照Re 含量的不同區(qū)分為第1 代(不含Re)、第2 代(3%Re)和第3 代(6%Re)[8].

早期研究發(fā)現(xiàn),向鎳基高溫合金中添加Re,可以提高γ 基體相的強度、彈性模量和固溶強化程度,阻礙γ 基體相中的位錯運動[9-10].向高溫合金中添加Re 還可以延緩高溫合金γ'沉淀相的粗化[11-12]并且導致晶格畸變,進一步提升位錯運動的阻力[13-14].Blavette 等[11,15]和Rüsing 等[16]認為Re 會在γ 基體相中形成團簇,產(chǎn)生團簇效應.然而,Mottura 等[17-18]的工作卻提出沒有證據(jù)證明Re 會在鎳基高溫合金中形成團簇,并提出了當Re 原子接近位錯核時,會產(chǎn)生釘扎力阻礙位錯運動.近年來,研究人員逐漸開展了Re 對鎳基高溫合金力學性能與微觀結構的影響的研究.Zhang 等[19]發(fā)現(xiàn)向高溫合金中添加Re 將會對高溫合金微觀結構和兩相界面產(chǎn)生明顯影響,包括提高γ'沉淀相的穩(wěn)定性,降低晶格錯配對溫度的敏感性以及降低高溫合金的界面能.Liu 等[20]研究了Re 等難熔元素對鎳基高溫合金拉伸力學性能的影響,發(fā)現(xiàn)Re 可以明顯提高高溫合金的屈服和抗拉強度.田素貴等[21-24]通過對含Re 和不含Re 的鎳基單晶高溫合金蠕變行為進行研究,發(fā)現(xiàn)在含Re 高溫合金中 ＜ 110 ＞ 超位錯可以從{111}面滑移至(100)面,形成K-W 鎖,抑制位錯滑移與交滑移,致使含Re 高溫合金具有更好的蠕變抗力.Wu 等[25]發(fā)現(xiàn)在蠕變過程中,Re 將逐漸富集到部分位錯和界面位錯核,導致蠕變率的降低.

飛機在長期的起飛-飛行-降落過程中,由于高溫高壓氣體的反復沖刷,渦輪葉片將遭受循環(huán)反復變化的機械載荷,導致渦輪葉片疲勞失效[26],其中低周疲勞(LCF)是渦輪葉片疲勞失效研究中的重點關注問題[26-27].研究人員對鎳基單晶高溫合金的低周疲勞行為進行了大量研究[28-36],這些研究主要集中于探討晶體取向[28-30]、熱腐蝕[31-32]和孔洞[33-34]等因素對鎳基單晶高溫合金低周疲勞行為的影響以及低周疲勞變形機理[35-36].針對Re 對鎳基單晶高溫合金低周疲勞影響的研究,Li 等[13-14]和Liu 等[37]發(fā)現(xiàn)添加Re 后可以有效提高高溫合金的低周疲勞壽命.Wang 等[38]探討了含Re 的鎳基高溫合金在不同溫度下的變形機制,并發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高,滑移帶的運動逐漸從平面滑移轉變?yōu)椴罨?這些結果表明,通過添加Re 來改善鎳基高溫合金的低周疲勞性能是可行的.然而,Re 是如何改善高溫合金的疲勞力學性能,以及Re 對微觀結構演化的影響仍存在諸多疑問.

由于原位高溫實驗觀察技術的困難,難以觀察整個疲勞過程中微觀結構的全過程演化特征,而分子動力學(MD)模擬能夠很好地觀察微觀結構的全過程演化特征,在研究微觀機制方面起著重要作用,可以從微觀角度提供更詳細的解釋[39].Xiong 等[40]利用MD 模擬的方法研究了鎳基高溫合金中基體相內(nèi)的移動位錯與界面錯配位錯網(wǎng)之間的相互作用,發(fā)現(xiàn)界面位錯網(wǎng)可以阻止移動位錯進入γ'沉淀相.Li 等[41]利用MD 模擬研究了高溫合金在不同溫度下,界面錯配位錯網(wǎng)的演化和應力分布特征,發(fā)現(xiàn)在γ/γ'相界面上出現(xiàn)了一個封閉的三維錯配位錯網(wǎng),隨溫度的升高,位錯網(wǎng)會逐漸變得不規(guī)則,并且在γ/γ'相界面處會出現(xiàn)一個峰值應力.Khoei 等[42]利用MD 模擬研究了γ/γ'界面位錯網(wǎng)對鎳基單晶高溫合金蠕變行為的影響.發(fā)現(xiàn)溫度升高會導致界面位錯網(wǎng)的弱化,加劇了位錯網(wǎng)的破壞過程,并且發(fā)現(xiàn)Re 的添加可以降低界面錯配應力,有效增加穩(wěn)態(tài)蠕變的持續(xù)時間.在課題組以前的工作中[6,36,43-46],也通過MD 模擬很好地研究了鎳基單晶高溫合金在單軸拉伸、蠕變、循環(huán)載荷和沖擊載荷下的力學性能,為進一步了解鎳基單晶高溫合金在不同載荷下的表現(xiàn)提供了重要參考,但目前Re 對鎳基單晶高溫合金低周疲勞力學性能的影響,尤其是低周疲勞載荷下Re 對高溫合金微結構演化的影響的研究還很少,Re 的添加對高溫合金力學性能產(chǎn)生影響的原因也還有待進一步研究.因此,本文將通過MD 模擬研究Re 對鎳基單晶高溫合金在低周疲勞載荷下力學性能的影響,及Re 對微觀結構演化產(chǎn)生的影響,進而從微觀角度解釋Re 對疲勞力學性能產(chǎn)生影響的原因.這將為鎳基單晶高溫合金疲勞力學性能微觀機制的理解,及新一代高溫合金設計與開發(fā)提供進一步的理論指導.

1 模型的構建與加載

利用開源分子動力學模擬軟件LAMMPS[39]建立鎳基單晶高溫合金原子模型和執(zhí)行循環(huán)加載的模擬.其中,在不含Re 試樣中,γ 基體相由Ni 組成,晶格常數(shù)為3.52 ?,γ'沉淀相由Ni3Al 組成,晶格常數(shù)為3.62 ?.根據(jù)重位點陣的概念naγ′=(n+1)aγ,得到n≈ 35[47].因此,利用35×35×35 的Ni3Al 代替40×40×40 模型中間的Ni,得到理想鎳基單晶高溫合金原子模型,如圖1(a)所示.其中γ'沉淀相體積分數(shù)為72.9%,與鎳基單晶高溫合金最優(yōu)性能下的體積分數(shù)相一致[48],模型的尺寸為140.8 ?×140.8 ?×140.8 ?.在不含Re 原子模型的基礎上,在γ 基體相中利用Re 原子隨機替換3%的Ni 原子,建立含3%Re 的鎳基單晶高溫合金原子模型,如圖1(b)所示.在等溫等壓系綜(NPT 系綜) 下將初始模型在1 K 下弛豫1000 ps,使模型能量最小化,達到穩(wěn)定狀態(tài).然后利用NPT 系綜控制體系的溫度,使高溫合金原子模型從1 K 逐步升溫至加載所需溫度,并保持穩(wěn)定.針對不含Re 和含Re 的高溫合金原子模型,在模擬過程分別采用Ni-Al[49]和Ni-Al-Re[50]嵌入式原子間相互作用勢,以便更好地描述原子間的相互作用.所有模型沿X,Y,Z3 個方向施加周期性邊界條件,以消除邊界條件的影響.沿Z方向施加周期性應變,應變比R=-1,應變率=1.0×109/s,如圖2 所示.利用Faken 等[51]提出的公共近鄰分析(CNA) 方法和Stukowski 等[52]提出的位錯分析(DXA) 方法對微觀結構演化進行分析,并采用OVITO 軟件[53]進行可視化分析.

圖1 鎳基單晶高溫合金原子模型Fig.1 Atomic models of Ni-based single crystal superalloys

圖2 低周疲勞加載示意圖Fig.2 Schematic diagram of LCF loading

2 Re 對鎳基單晶高溫合金低周疲勞力學性能的影響

2.1 Re 對循環(huán)應力-應變曲線的影響

圖3 顯示了含Re 與不含Re 高溫合金試樣在低溫和高溫低周疲勞加載過程中的循環(huán)應力-應變曲線.從圖中可以觀察到,在循環(huán)加載初期,無論是在含Re 試樣還是在不含Re 試樣中,應力都隨循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸增加,隨后進入一個穩(wěn)定階段,這表明在循環(huán)加載過程中,Re 的添加不會對高溫合金在循環(huán)加載過程中的基本循環(huán)特征產(chǎn)生明顯影響,兩種試樣都將由循環(huán)硬化逐漸過渡到循環(huán)穩(wěn)定.這種由硬化過渡到穩(wěn)定狀態(tài)是高溫合金在循環(huán)加載過程中的一種經(jīng)典特征[54-55],表明所建立的原子模型可以很好地反應鎳基單晶高溫合金的力學性能.通過對兩種試樣的循環(huán)應力-應變曲線對比發(fā)現(xiàn),無論是在低溫加載條件下還是在高溫加載條件下,含Re 試樣的循環(huán)應力-應變曲線都呈現(xiàn)一種更加“狹長”的特征,這是由于Re 的添加對高溫合金的力學性能產(chǎn)生了影響,導致高溫合金在加載過程中的遲滯回線具有這種“狹長”的特征,尤其是在低溫下,這種特征更加明顯.表1 顯示了在試樣進入循環(huán)穩(wěn)定階段后第30 周時含Re 與不含Re 高溫合金試樣發(fā)生的塑性應變(Δ εp),可以發(fā)現(xiàn)在不同溫度下,含Re 的高溫合金試樣都發(fā)生了更少的塑性應變,表明Re 的添加可以很好地降低高溫合金在循環(huán)加載過程中的塑性應變.

表1 循環(huán)穩(wěn)定階段含Re 與不含Re 高溫合金試樣中的塑性應變Table 1 Plastic strain of the superalloys with/without Re addition during cyclic stability

圖3 含Re 與不含Re 高溫合金試樣在低周疲勞加載過程中的循環(huán)應力-應變曲線Fig.3 Cyclic stress-strain curves of the superalloys with/without Re addition under LCF loading

此外,從圖3 中還可以發(fā)現(xiàn),無論是在低溫加載還是高溫加載過程中,含Re 高溫合金試樣的最大拉伸應力(σmaxt) 和最大壓縮應力(σmaxc) 都高于不含Re 試樣,從而導致循環(huán)過程中含Re 高溫合金試樣具有更高的應力變程(Δ σ=σmaxt-σmaxc).正是由于在含Re 高溫合金試樣中更高的應力變程和更低的塑性應變,導致含Re 高溫合金試樣的循環(huán)應力-應變曲線呈現(xiàn)出這種更加“狹長”的特征.

2.2 Re 對循環(huán)應力幅值的影響

圖4 不同溫度下,Re 對高溫合金循環(huán)應力幅值的影響Fig.4 Effect of Re on cyclic stress amplitude of the superalloys at different temperatures

在循環(huán)加載初期,循環(huán)應力幅值快速增加,高溫合金試樣發(fā)生初始循環(huán)硬化,隨后,循環(huán)應力幅值逐漸趨于穩(wěn)定值,試樣逐漸進入循環(huán)穩(wěn)定狀態(tài).從圖4中可以觀察到,在高溫合金的低周疲勞的整個加載過程中,無論是在低溫加載還是高溫加載條件下,Re 的添加都將明顯提高高溫合金的循環(huán)應力幅值,尤其是在低溫加載下,Re 對高溫合金循環(huán)應力幅值的提升作用更加明顯(近1 GPa).在施加相同的應變載荷的條件下,更高的循環(huán)應力幅值表明在循環(huán)加載過程中,高溫合金試樣中位錯的運動受到更強的阻礙作用,使試樣具有更好的抗疲勞力學性能,這表明Re 的添加可以顯著提高高溫合金的循環(huán)應力幅值,提升高溫合金的疲勞力學性能.

2.3 Re 對塑性應變能密度的影響

圖3 循環(huán)應力-應變曲線中每個循環(huán)遲滯回線的面積表示每個循環(huán)單位體積的塑性變形功,即塑性應變能密度,它代表了加載過程中能量的耗散情況,可以很好地反應塑性變形的情況,是材料的主要循環(huán)特性之一[56].

圖5 顯示了Re 對高溫合金在低周疲勞加載過程中塑性應變能密度的影響.從圖中可以觀察到,無論是在低溫還是高溫加載下,Re 的添加都會降低高溫合金在循環(huán)加載過程中的塑性應變能密度,尤其是在低溫下,這種影響更加明顯.例如,當試樣進入循環(huán)穩(wěn)定階段后,不含Re 的高溫合金試樣在300 K 時的塑性應變能密度為123.6 MJ/m3,而含Re 的試樣的塑性應變能密度為103.4 MJ/m3,降低了20.2 MJ/m3.這正是由于Re 的添加提高了高溫合金的塑性變形抗力,使高溫合金發(fā)生更少的塑性變形,從而降低高溫合金的塑性應變能密度,使高溫合金具有更好的疲勞力學性能.

3 Re 對鎳基單晶高溫合金低周疲勞微觀結構的影響

微觀結構的演化直接影響了材料的力學性能,本文將對鎳基單晶高溫合金在低周疲勞加載過程中的微結構演化進行分析,并基于微結構演化的分析探討Re 元素提高合金疲勞力學性能及壽命的原因.

3.1 Re 對位錯密度的影響

圖6 顯示了在低周疲勞加載過程中含Re 與不含Re 高溫合金試樣中位錯密度的變化情況,位錯密度的計算方法為單位體積中位錯線的總長度

圖6 不同溫度下,Re 對高溫合金位錯密度的影響Fig.6 Effect of Re on dislocation density of the superalloys at different temperatures

式中,ρ為位錯密度,L為試樣中位錯線的總長度,V為試樣的體積.從圖中可以看到,在循環(huán)加載過程中,由于位錯之間的相互作用,位錯的增殖與湮滅逐漸達到平衡,兩種試樣中的位錯密度也逐漸趨于動態(tài)穩(wěn)定.無論是在低溫還是在高溫低周疲勞加載下,Re 的添加都將導致試樣中位錯密度的降低,在本文中,含Re 與不含Re 高溫合金試樣的體積幾乎相同,這表明在含Re 試樣中具有更少的位錯,導致在含Re 試樣中更低的位錯密度.更少的位錯數(shù)量和更低的位錯密度導致試樣中發(fā)生更少的塑性變形,從而有效提升高溫合金的力學性能.

3.2 Re 對微結構演化的影響

圖7 顯示了含Re 與不含Re 兩種高溫合金試樣在不同溫度下低周疲勞加載過程中的微結構演化特征.由于在高溫合金中γ'沉淀相鑲嵌在γ 基體相中,在試樣表面只能觀察到γ 基體相中微觀結構的特征,而不能觀察到γ'沉淀相中微觀結構的特征.因此,對含Re 與不含Re 高溫合金試樣沿X方向進行剖面,以便清楚地觀察循環(huán)加載過程中γ'沉淀相的微結構演化特征.圖7(a)顯示了在低溫300 K 低周疲勞加載下含Re 與不含Re 高溫合金試樣的微觀結構特征,從圖中可以發(fā)現(xiàn),在不含Re 的高溫合金試樣中,位錯明顯地進入了γ'沉淀相,導致γ'沉淀相發(fā)生嚴重的塑性變形.而在含Re 試樣中,很少有位錯可以進入到γ'沉淀相中,位錯幾乎局限在γ 基體相和γ/γ'界面處,導致在γ'沉淀相中幾乎沒有塑性變形發(fā)生.這種對比表明Re 的添加將會導致位錯更難進入γ'沉淀相,使含Re 試樣發(fā)生更少的塑性變形.圖7(b)顯示了在高溫900 K 低周疲勞加載下含Re 與不含Re 高溫合金試樣的微觀結構特征,從圖中可以發(fā)現(xiàn),在高溫低周疲勞加載過程中,由于溫度更高,無論是在試樣表面(γ 基體相)還是在試樣內(nèi)部(γ'沉淀相),無序原子的數(shù)量增多,位錯剪切γ'沉淀相逐漸變?nèi)?但在不含Re 的試樣中,在γ 基體相中存在更多的位錯,而在含Re 試樣中,位錯的數(shù)量明顯更少,含Re 試樣中的塑性變形也更少.

圖7 不同溫度下,含Re 與不含Re 高溫合金試樣的微觀結構特征對比Fig.7 Comparison of the microstructure characteristics of the superalloys with/without Re addition at different temperature

無論是在低溫還是高溫低周疲勞加載下,含Re 試樣中位錯對γ'沉淀相的剪切程度都明顯弱于不含Re 試樣,表明在含Re 試樣中,由于Re 元素的添加導致位錯剪切γ'沉淀相受到了更強的阻礙,從而導致在含Re 試樣中具有更高的循環(huán)應力幅值.由于在含Re 試樣中位錯更難剪切γ'沉淀相,只能局限在γ 基體相和γ/γ'界面處,導致含Re 試樣發(fā)生了更少的塑性變形,并且具有更低的塑性應變能密度,使含Re 試樣具有更好的抗疲勞性能.

3.3 Re 對位錯運動的影響

圖8 以900 K 為例分別顯示了在不同加載時刻高溫合金試樣中Re 原子的分布情況,其中圖8(a)表示高溫合金試樣在經(jīng)過初始弛豫但未施加載荷時Re 原子的分布情況,圖8(b) 表示循環(huán)加載初期Re 原子的分布情況,而圖8(c)表示循環(huán)穩(wěn)定階段時Re 原子的分布情況.從圖中可以觀察到,在低周疲勞加載過程中,隨著加載過程的進行,初始分布在γ 基體相中的Re 原子將逐漸傾向于向γ/γ'界面處移動,并逐漸進入γ'沉淀相中,在γ'沉淀相中,Re 原子更加傾向于優(yōu)先占據(jù)Al 原子的位置[57-58],因而導致在高溫合金的γ 基體相和γ/γ'界面處出現(xiàn)更多的Al 原子.根據(jù)Wu 等[25]前期的研究發(fā)現(xiàn),初始分布在γ 基體相中的Re 原子逐漸進入到γ'沉淀相中是通過管道擴散和位錯拖拽進行的.

圖8 不同時刻下Re 原子的分布 (T=900 K)Fig.8 Re atoms distribution at different times (T=900 K)

圖9 顯示了在循環(huán)加載初期,位錯、Re 原子以及Al 原子的分布情況,可以觀察到此時位錯主要集中在γ 基體相以及γ/γ'界面處,從圖8 中可以得知在這時Re 原子也主要分布在γ 基體相以及γ/γ'界面處.在載荷作用下,位錯運動并逐漸進入到γ' 沉淀相中,在這個階段,分布在γ 基體相和γ/γ'界面處的Re 原子將會對γ 基體相以及γ/γ'界面處的移動位錯產(chǎn)生釘扎效應,將移動位錯釘扎在γ 基體相中,阻礙γ 基體相和γ/γ'界面處的移動位錯進入γ'沉淀相中.隨著加載過程的繼續(xù)進行,這種釘扎效應會對位錯的移動產(chǎn)生明顯的阻礙,導致位錯更難進入到γ'沉淀相中,從而導致更多的位錯集中在γ 基體相和γ/γ'界面處,這正是在圖7 中含Re 試樣中的位錯更多的局限在試樣表面的原因.這種現(xiàn)象也為Re 會產(chǎn)生釘扎力阻礙位錯運動的觀點提供了支持[17-18,25].

圖9 不同溫度下,Re 原子在循環(huán)加載初期對位錯產(chǎn)生釘扎效應Fig.9 Re atoms produce pinning effect on dislocations during the early stage of cyclic loading at different temperatures

圖10 顯示了在進入循環(huán)穩(wěn)定階段后位錯的分布情況,為了便于觀察,對試樣沿(111)方向進行了切面.從圖8 中可以得知,隨著加載過程的繼續(xù)進行,當進入到循環(huán)穩(wěn)定階段后,Re 原子將更加傾向于分布在γ/γ'界面處,并且部分Re 原子將會逐漸代替Al 原子的位置進入到γ'沉淀相中.此時已經(jīng)進入到γ'沉淀相中的Re 原子將會對位錯運動產(chǎn)生拖拽效應,增加了位錯在γ'沉淀相中運動的阻力,使γ'沉淀相中的位錯運動受到更強的阻礙,從而減少了γ'沉淀相中的塑性變形,而這正是在圖7 中含Re 試樣的γ'沉淀相中發(fā)生更少塑性變形的原因.

圖10 不同溫度下,Re 原子在循環(huán)穩(wěn)定階段對位錯產(chǎn)生拖拽效應Fig.10 Re atoms produce dragging effect on dislocations during cyclic stability at different temperatures

在循環(huán)加載過程中,Re 元素通過對位錯的運動施加釘扎與拖拽效應,阻礙位錯運動,使分布在γ 基體相和γ/γ'界面處的位錯更難進入γ'沉淀相中,導致更多的位錯局限在γ 基體相和γ/γ'界面處,而在γ'沉淀相中的位錯也受到更強的阻礙,提高了微觀結構的穩(wěn)定性,使含Re 高溫合金試樣發(fā)生更少的塑性變形.此外,正是由于Re 對位錯運動施加的釘扎與拖拽效應,導致在含Re 高溫合金試樣中位錯運動受到更強的阻礙,從而導致在含Re 試樣中具有更高的循環(huán)應力幅值.而在不含Re 的試樣中,由于缺乏Re 對位錯的釘扎與拖拽效應,大量位錯會更容易進入γ'沉淀相,導致在不含Re 的試樣中發(fā)生更加嚴重的塑性變形,試樣具有更差的力學性能.

4 Re 對鎳基單晶高溫合金低周疲勞壽命的影響

經(jīng)典的Coffin-Manson 方程[59]被廣泛應用于對材料的疲勞壽命進行預測與評估

其中,Δ εp代表塑性應變幅值,Nf代表試樣失效周期,代表疲勞延性系數(shù),α 代表疲勞延性指數(shù).由于與 α 都是材料常數(shù),因此,在Coffin-Manson 方程中,對于相同的材料,只有 Δ εp這一項會影響材料的疲勞壽命,即疲勞壽命Nf將會隨著 Δ εp的增加而逐漸降低.

Ostergren[60]在Coffin-Manson 方程[59]的基礎上,進一步提出了基于能量的拉伸遲滯能模型,主要形式如下

其中,λ,C,C1和 β 是材料常數(shù),ΔWT是拉伸遲滯能,σmaxt是最大拉伸應力,Δ εp是塑性應變幅值.在式(4)中,由于C和 β 是材料常數(shù),它們只與材料性質相關,因此,Ostergren 參數(shù) σmaxtΔεp是拉伸遲滯能模型中的決定性參數(shù),在式(4)中,更大的Ostergren 參數(shù)將導致材料更短的疲勞壽命.

利用Coffin-Manson 方程與拉伸遲滯能模型對含Re 與不含Re 的高溫合金試樣在低周疲勞加載下的疲勞壽命進行定量與定性的對比分析,以期在一定程度上為分析Re 對高溫合金低周疲勞壽命的影響提供參考.由于試樣在初始循環(huán)硬化后始終保持循環(huán)穩(wěn)定狀態(tài),因此,選擇第30 個循環(huán)周的數(shù)據(jù)進行分析,如表2 所示.在低周疲勞加載過程中,無論是在300 K 還是900 K 加載下,在含Re 試樣中都具有更低的塑性應變,由式(2)可知,具有更少塑性應變的試樣將具有更長的疲勞壽命,這表明含Re 試樣將具有更長的疲勞壽命.此外,在含Re 試樣中雖然具有更高的最大拉伸應力和循環(huán)應力幅值,但卻具有更小的Ostergren 參數(shù),根據(jù)式(4)可知,具有更低Ostergren 參數(shù)的試樣將具有更長的疲勞壽命.因此,無論是利用經(jīng)典的Coffin-Manson 方程還是利用拉伸遲滯能模型對含Re 與不含Re 的高溫合金試樣的疲勞壽命進行對比分析,都獲得了一致的結論,即含Re 的高溫合金試樣具有更長的低周疲勞壽命.這里需要指出的是,在本文的研究中,由于Re 原子的占比少,對材料常數(shù)的實際影響較小,同時考慮到精確獲得材料常數(shù)需要進行大量的計算數(shù)據(jù)或實驗數(shù)據(jù)擬合.因此,這里假定式(2)～式(4)中含Re 試樣與不含Re 試樣的材料常數(shù)一致,雖然在實際高溫合金中Re 元素的添加將會對材料常數(shù)產(chǎn)生一定影響,但通過這種方式判斷的高溫合金低周疲勞壽命的基本結論仍然與目前的研究結論相一致[13-14,37],即Re 元素的添加可以提高鎳基單晶高溫合金的低周疲勞壽命.

表2 含Re 與不含Re 高溫合金試樣在低周疲勞加載過程中的各項參數(shù)Table 2 Parameters of the superalloys with/without Re addition under low cycle fatigue loading

5 結論

利用分子動力學模擬研究了含Re 和不含Re 兩種鎳基單晶高溫合金在不同溫度下的低周疲勞力學性能與微觀結構演化特征,發(fā)現(xiàn)向鎳基單晶高溫合金中添加Re 后,對高溫合金的微觀結構產(chǎn)生了明顯影響,從而提升了高溫合金的低周疲勞力學性能,主要結論如下.

(1)向鎳基單晶高溫合金中添加Re 可以有效提高高溫合金的循環(huán)應力幅值和抗塑性變形能力,降低了高溫合金的塑性應變和塑性應變能密度,從而提高合金的疲勞力學性能.

(2)向鎳基單晶高溫合金中添加Re 可以提高鎳基單晶高溫合金的低周疲勞壽命,延長高溫合金的服役時間.

(3) Re 提高鎳基單晶高溫合金低周疲勞力學性能和壽命的主要原因取決于Re 在循環(huán)加載過程中對位錯運動的釘扎與拖拽效應.在循環(huán)加載初期,Re 原子在γ/γ'界面聚集,并對γ 基體相中的移動位錯產(chǎn)生釘扎效應;在循環(huán)穩(wěn)定階段,一些Re 原子逐漸進入到γ'沉淀相,對位錯運動產(chǎn)生拖拽效應.這兩種效應對位錯的運動產(chǎn)生了阻礙作用,導致含Re 試樣中發(fā)生更少的塑性變形,提高了高溫合金微觀結構的穩(wěn)定性,從而提高了高溫合金的低周疲勞力學性能和疲勞壽命.