引用本文：
韩凤奎，刘蓓蕾，吴保平，等.差别温度下镍基单晶高温合金蠕变断裂特征[J].机械工程素材，2022，46（10）：56-60.
Han F K, Liu B L, Wu B P, et al. Creep Fracture Characteristics of Nickel-Based Single Crystal Superalloy at Different Temperatures, 2022, 46（10）: 56-60.
在差别前提(760℃/750MPa、850℃/500MPa、980℃/260MPa、1050℃/140MPa) 下对DD407单晶高温合金停止蠕变试验，察看了蠕变断口描摹以及蠕变断裂后的显微组织和位错，阐发了蠕变断裂机造。成果表白：在760℃下，试验合金发作滑移剪割断裂，γ'强化相稍有变形，但未呈现明显筏排化构造；蠕变位错次要散布在γ/γ'相界面处，仅有少量位错切入γ'相。在850℃下合金仍次要发作滑移剪割断裂，γ'相起头呈现筏排化；在980℃和1050℃下，合金发作韧性断裂，而且γ'相筏排化随蠕变温度升高而越发严峻；在1050 ℃/140MPa前提下γ基体通道呈现大量位错塞积，大量位错以长曲的位错线形态切入γ'相。
1 试样造备与试验办法
试验素材为DD407单晶高温合金， 利用德国ALD产25kg定向凝聚炉应用选晶法造备得到。接纳X射线衍射法标定晶体取向，拔取出晶体轴向与[001]取向误差不大于10°的合金试样停止热处置，热处置工艺为1300℃×3h空冷+1080℃×6h空冷+870℃×20h空冷。将热处置后的试样加工生长度为80mm的圆柱形原则蠕变试样，工做段曲径为5mm，在蠕变试验机长进行蠕变试验，蠕变温度/应力别离为760℃/750MPa、850℃/500MPa、980℃/260MPa、1050℃/140MPa，笔录差别前提下的蠕变断裂曲线。接纳扫描电子显微镜(SEM)察看蠕变断口描摹。在蠕变断裂后的试样上，距断口约1mm处垂曲于试样应力轴标的目的线切割出金相试样，经研磨、抛光,用48mLH 2 SO 4 +40mLHCl+ 12mL HNO 3 配成的溶液侵蚀后，利用 场发射扫描电子显微镜察看显微组织，并用图片阐发软件对显微组织停止阐发。在蠕变断裂试样断面平行应力轴标的目的取样造备透射电镜试样，利用透射电镜(TEM)察看位错特征。
2 试验成果与讨论
2.1 蠕变断裂曲线
由图1能够看出，DD407单晶高温合金在差别 蠕变前提下的蠕变断裂曲线特征类似，均包罗蠕变的三个阶段。合金的蠕变第一阶段(减速蠕变阶段)均不明显，时间很短，差别蠕变前提下均仅继续了几分钟，合金很快进入了蠕变第二阶段(稳态蠕变阶段)；稳态蠕变阶段是合金在蠕变过程中履历的次要阶段，占据次要蠕变寿命期；最初合金蠕变失稳，即合金进入蠕变第三阶段(加速蠕变阶段)。合金在高温前提下(1050℃/140MPa)，由稳态蠕变阶段向加速蠕变阶段的改变过程比力短暂，即蠕变第二阶段完毕后很快就发作失稳断裂。
2.2 蠕变断口描摹
由图2能够看出：在760℃/750MPa前提下蠕 变断裂后，DD407单晶高温合金断口存在多个滑移面，断面平整光滑，与轴向[001]标的目的夹角大约为40°，具有明显的八面体滑移断裂特征，断口上有明显的解理断裂河流把戏，那阐明合金发作了沿{111}滑移面的滑动开裂，蠕变裂纹的萌发和扩展过程与合金中显微孔洞等微不雅缺陷关系不大，断裂机造为剪切滑移断裂。在850℃/500MPa前提下试验合金的蠕变断裂特征与760℃/750MPa前提下根本类似，但断口呈现更多的{111}小滑移面，其断裂机造也属于剪切滑移断裂；但是在断口中心部分区域还呈现了许多近似方形的平面韧窝，那阐明合金处于由剪割断裂向微孔聚集型韧性断裂的过渡阶段。在980℃/260MPa前提下，合金断裂时的颈缩现象愈加凸起，滑移开裂特征已不明显，微不雅断口散布着许多近似方形的小平面韧窝，与850℃/500MPa前提下比拟韧窝数量明显更多，区域也更大。在1050℃/140MPa前提下，合金的断口外表起伏很小，断口呈卵形，断口上散布着良多外形规则的方形小平面韧窝。由此可见：当温度升高到850℃时，合金的蠕变过程起头对显微松散等缺陷敏感，而且随温度的继续升高而愈加敏感，蠕变裂纹次要起源于显微松散处；合金的蠕变断裂机造也随温度的升高由剪切滑移断裂向韧性断裂改变。
2.3 γ'相演变
图3中的白色箭头标的目的表达试样蠕变测试载荷 加载标的目的。由图3能够看出：在760℃/750MPa前提下蠕变断裂后，DD407单晶高温合金中的γ'沿袭垂曲于应力轴标的目的略微拉长，但变形较小，根本连结方形构造。在850℃/500MPa前提下蠕变断裂后，γ'沿袭垂曲于应力轴标的目的定向粗化成筏排状，且距断口越近，γ'相粗化越明显，筏排化越严峻，断口处γ'相已完全呈筏排化，γ基体通道变宽，γ'相在平行于应力轴标的目的也发作了必然的粗化；金相标定显示，γ'相和γ基体通道的均匀宽度别离约为700，200nm。在980℃/260MPa前提下蠕变断裂后，距断口1mm处的γ'相筏排化愈加严峻，γ'相和γ基体通道的均匀宽度别离到达约800，300nm。在1050℃/140MPa前提下蠕变断裂后，跟着距断口间隔的减小，筏排化γ'相的尺寸及盘曲度增加，近断口处的筏排化γ'相粗大，且筏排化的γ'相变得杂乱无章，筏排规则度变差；筏排化γ'相的宽度已近2000nm，γ基体通道已拓宽至约1000nm。
在蠕变过程中，单晶高温合金中γ'相筏排化是 一个能量降低的自觉过程。γ'相的筏排化源于应力引起的合金元素定向扩散，而应力梯度由γ/γ'错配应力和外加应力叠加产生的。在应力梯度的感化下，γ'相构成元素铝、钛、钽等和γ相构成元素铬、钼等沿相反的标的目的扩散，招致γ'沿袭特定标的目的发作粗化而且实现γ'相间的互相毗连，最末构成完好的筏排组织。温度升高会促进原子扩散，从而促进筏排化构造的构成。拉应力感化会降低γ'相构成元素在γ基体中的化解度，促使原子发作定向运动；位错在基体通道内的不平均散布会产生原子化学势梯度，驱动原子发作定向运动。原子定向运动招致γ'相定向长大构成筏排组织。因而，在高温(850℃及以上)前提下DD407单晶高温合金中的γ'相筏排化敏捷，而且在温度升至1050℃时，γ'相的筏排化愈加严峻；在中温(760℃)前提下原子扩散相对较慢，γ'相筏排化过程相对迟缓,而且该温度下的蠕变应力较大,γ'相也很难发作筏排化。筏排化组织关于合金性能的影响，目前尚未有明白的说法。有研究认为，高温蠕变时具有筏排化组织的合金抗蠕变性能更好，而低温蠕变前提下立方状γ'相对蠕变性能的提拔更为有利。
2.4 位错组态
由图4可知：在760℃/750MPa前提下蠕变断 裂后，DD407单晶高温合金中的γ'相仍呈立方体形态，位错次要散布在γ/γ'相界面处，有少量位错以位错对的体例切入γ'相(箭头所示)，切入位错与γ'相成45°角；在1050℃/140MPa前提下蠕变断裂后，合金中的γ'相已完全筏排化，γ基体通道有大量位错塞积，而且大量位错以长曲的位错线形态切入γ'相(箭头所示)。那是因为在1050℃的高温下，原子扩散驱动力增大，位错网容易被毁坏，大量位错聚集在γ/γ'相界面发作塞积而引起应力集中，形成蠕变裂纹的萌发，使得更多长曲位错线切过位错网进入γ'相内。
在单晶合金蠕变过程中，位错微构造发作演变，γ相基体通道充满了位错，位错网格围绕γ'相粒子构成。更进一步讲，在蠕变过程中，合金内存在的微不雅铸造孔洞尺寸将增大，新的蠕变孔洞将构成和长大。在中温(760℃)蠕变过程中，位错次要集中在γ相基体通道中，可以切入γ'相的位错很少，[001]取向的γ'相未呈现筏排化构造；在该蠕变前提下，合金的变形量较小，其蠕变变形由位错运动主导，而且位错运动次要以滑移和攀移体例停止；位错以剪切体例通过强化相困难，越过强化相需要克制较大的障碍，因而次要以“弓出”的Orowan机造绕过强化相。而跟着温度升高，原子扩散速度增大，在应力感化下γ'相筏排化逐步明显，尤其是在1050℃/140MPa前提下，γ相基体通道呈现大量位错塞积；温度的升高促进了原子扩散，使得位错网更容易发作毁坏，大量位错以长曲的位错线形态切入γ'相；位错切入γ'相后，位错网的形变抗力削弱，以致合金的应变速度增加，曲至断裂。
3 结 论
(1) DD407单晶高温合金的蠕变断裂机造与蠕 变温度亲近相关，在760~850℃下发作滑移剪割断裂，断口与应力轴标的目的成40°角，但850℃下蠕变断口中心还呈现了韧窝，阐明该温度下合金已经处于由剪割断裂向韧性断裂的过渡阶段；当温度升至850℃以上时，合金发作韧性断裂，蠕变断口上可见大量韧窝。
(2) 在760℃/750MPa前提下蠕变断裂后，合 金中γ'相仅发作微量变形，并未发作筏排化；在850℃/500MPa、980℃/260MPa、1050℃/140MPa前提下，随温度升高，γ'相筏排化水平逐步严峻，且宽度逐步增加，γ基体通道变宽。
(3) 在760℃/750MPa前提下蠕变时，蠕变位 错次要散布在γ/γ'相界面处，仅有少量位错切入γ'相；在1050℃/140MPa前提下γ基体通道呈现大量位错塞积，而且大量位错以长曲的位错线形态切入γ'相。