Структура, анизотропия физико-механических свойств и механизмы высокотемпературной ползучести монокристаллов жаропрочных никелевых сплавов

• Автор: Епишин, Александр Игоревич
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 265 с. : ил.

Общая характеристика работы

Глава 1. Структура монокристаллов жаропрочных никелевых сплавов и методы ее исследования

1.1. Исследованные материалы

1.2. Особенности применения методов электронной микроскопии 16 и рентгеноструктурного анализа к исследованию структуры монокристаллов жаропрочных никелевых сплавов.
1.3. Формирование монокристаллической структуры в процессе 25 конкурентного роста зерен при направленной кристаллизации

1.4. Ростовые дефекты монокристаллической структуры

1.5. Кристаллизационная и гомогенизационная микропористость

1.6. Дендритная макроструктура и гетерофазная микроструктура

1.7. Несоответствие периодов кристаллических решеток у- и у’-фаз (мисфит)

1.8. Остаточные напряжения различного масштабного уровня

Глава 2. Анизотропия физико-механических свойств монокристаллов жаропрочных никелевых сплавов
2.1. Упругие свойства
2.2. Малоцикловая и термическая усталость
2.3. Рост усталостных трещин
2.4. Термостойкость монокристаллических лопаток различных ориентаций, расчет и эксперимент
Глава 3. Деформационные и структурные процессы при высокотемпературной ползучести
3.1. Кинетика пластической деформации
3.2. Рафтинг у/у’-микроструктуры
3.3. Деградация у/у’ -микроструктуры
3.4. Эволюция дислокационной структуры и межфазных напряжений
3.5. Рост пористости
Глава 4. Механизмы высокотемпературной ползучести
4.1. Макронеоднородность пластической деформации вследствие дендритной ликвации

4.2. Структура ядра краевых су пер дислокаций а[001] в кристаллической решетке №3А1
4.3. Совокупность микромеханизмов высокотемпературной ползучести монокристаллов жаропрочных никелевых сплавов
Основные результаты и выводы
Список литературы
Приложение 1 к § 1.8
Приложение 2 к § 4.3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы
В начале 80-х годов в отечественном и зарубежном газотурбостроении стали применять монокристаллические лопатки из жаропрочных никелевых сплавов. Отсутствие большеугловых границ позволило исключить межзеренное разрушение, улучшить коррозионную стойкость и, таким образом, существенно повысить конструкционную прочность лопаток. Использование монокристаллических лопаток в газовых турбинах явилось первым в истории машиностроения применением монокристаллов в качестве конструкционного материала. Поэтому для прогнозирования эксплуатационного ресурса таких лопаток потребовалась разработка новых методов прочностного расчета, учитывающих специфическую структуру монокристаллов, их анизотропные физикомеханические свойства и физические механизмы пластического деформирования. Получение необходимых знаний о монокристаллах жаропрочных никелевых сплавов явилось мотивацией выполнения настоящей работы.
Представленная диссертация является фактически первой работой, в которой с применением широкого спектра современных экспериментальных и теоретических методов комплексно изучены структура монокристаллов жаропрочных никелевых сплавов на разных масштабных уровнях, анизотропия их физико-механических свойств и механизмы высокотемпературной ползучести. Диссертация подводит итог 20 летним исследованиям автора в области монокристаллов жаропрочных никелевых сплавов. Работа была начата во Всероссийском научно-исследовательском институте авиационных материалов (ВИАМ) в рамках плановых НИР, а затем продолжена в рамках грантов РФФИ в Институте металлургии и материаловедения им. А. А. Байкова и Московском государственном институте стали и сплавов. Значительная часть работы была выполнена в рамках грантов Германского исследовательского общества (DFG), гранта европейского исследовательского центра ESRF (Франция) и европейской программы COST538 во время зарубежных стажировок автора. Таким образом, актуальность выполненной работы подтверждается ее интеграцией в отечественные плановые НИР по исследованию монокристаллов жаропрочных никелевых сплавов, европейскую программу COST538 «Увеличение срока эксплуатации энергетических установок», а также многочисленными отечественными и зарубежными грантами, выигранными на конкурсной основе.
Цель работы
Изучить анизотропию физико-механических свойств и механизмы высокотемпературной ползучести монокристаллов жаропрочных никелевых сплавов. Для достижения указанной цели в работе ставились следующие задачи:

составляло около 1.2 мкм. В процессе олного измерения получали изображение объема образца размером около 0 5*0.5х I мм’ (рис. 1.226), которое записывали в фай,! длиной 1.6 Гбайт (после сжатия шкалы интенсивностей до 1 байт/пиксел)

Рис. 1.22. Схема сбора рентгеновских томограмм на синхротроне (а) и трехмерное изображение пористости в монокристалле сплава CMSX-4 (б).
Визуальную инспекцию трехмерных изображений осуществляли с помощью программного обеспечения VGStudioMax (Volume Graphics GmbH), математическую обработку - с использованием программною обеспечения PyHST (А. Мироне, научная группа FSRF) и MAVI (Институт прикладной математики им. Фраунхофера, ITWM, Кайзерслаутерн).
Типичным дефектом рентгеновских томограмм являются, зак называемые «кольцевые артефакты», вызванные дефектом ячеек CCD камеры (см. рис. 1.23а). В настоящей работе эти дефекты изображения были исключены с помощью математической фильтрации Кольцевые артефакты могут быть отделены от пор по геометрическим признакам. Таковыми являются сильно вытянутая форма, небольшой объем и малый размер вдоль оси вращения, Па рис. 1.236 показано изображение после исключения всех объектов с факюром формы
S = Ь-Jn ■ (V/л/а 1)<0,7 (V-объем объекта, А-пдощадь ею поверхности), объемом менее 25 вокссл и высотой менее 25 пиксел. Из сравнения рис. 1.23а и б видно, что в результате закой фильтрации практически вес кольцевые артефакты удалены, при этом подавляющее большинство нор, за исключением очень мелких пор, осталось.

Образец
Рентгеновский
пучок
экран