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Al-O元素聚集对镍基单晶高温合金氧化影响的第一性原理研究

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中国腐蚀与防护学报 2025年第1期45卷 173-181页

作者：裴海清肖竞博李微于昊玉温志勋岳珠峰西北工业大学力学与土木建筑学院清洁高效透平动力装备全国重点实验室西安710129 长沙理工大学能源与动力工程学院长沙410114

采用第一性原理计算和氧化实验相结合的方式研究了镍基单晶高温合金氧化层的演化机理。通过分析界面粘附能和电荷分布,Al-O结构被确定为最稳定的NiAl/NiO界面模型。考虑了O原子和Al原子对界面稳定性的影响,O原子和Al原子在界面处的聚集... 详细信息

采用第一性原理计算和氧化实验相结合的方式研究了镍基单晶高温合金氧化层的演化机理。通过分析界面粘附能和电荷分布,Al-O结构被确定为最稳定的NiAl/NiO界面模型。考虑了O原子和Al原子对界面稳定性的影响,O原子和Al原子在界面处的聚集均削弱了NiAl/NiO界面的结合强度,这意味着界面更容易发生分离。采用XRD、EDS、SEM等方法研究了镍基单晶高温合金的氧化行为,并建立了氧化动力学模型。结果表明,合金氧化过程中首先形成NiO,随后在NiO下方形成Al_(2)O_(3)。随着O原子和Al原子在界面处的聚集,NiO倾向于从合金表面分离。通过将第一性原理计算与氧化实验相结合,揭示了镍基单晶高温合金的氧化层演化机理。

关键词：镍基单晶高温合金高温氧化第一性原理氧化动力学微观结构演化

液态金属冷却法制备镍基单晶高温合金铸件的研究进展

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机械工程学报 2025年 127-141页

作者：艾诚张龙郭敏黄太文刘林长安大学材料科学与工程学院西北工业大学凝固技术国家重点实验室

与目前已在工业上得到广泛应用的快速凝固法(High rate solidification,HRS)相比，液态金属冷却法(Liquid metal cooling,LMC)具有更高的温度梯度，因此在制备大尺寸单晶涡轮叶片时具有显著的优势。归纳总结HRS与LMC技术的工作原理与温... 详细信息

与目前已在工业上得到广泛应用的快速凝固法(High rate solidification,HRS)相比，液态金属冷却法(Liquid metal cooling,LMC)具有更高的温度梯度，因此在制备大尺寸单晶涡轮叶片时具有显著的优势。归纳总结HRS与LMC技术的工作原理与温度梯度，由HRS与LMC技术制备的单晶高温合金铸件的枝晶组织、显微偏析、固溶处理、显微孔洞、铸造缺陷形成倾向与力学性能等特点。与HRS技术相比，LMC技术可显著地细化枝晶间距，并降低铸态组织中元素的显微偏析倾向；LMC技术可有效地降低固溶处理难度，并降低铸态和热处理态合金中显微孔洞的数量和尺寸；LMC技术可有效地降低定向凝固时雀斑和缘板杂晶等铸态缺陷的形成倾向；在较低的服役温度下，LMC技术可有效地提高合金的低周疲劳性能和高周疲劳性能。然而，LMC技术存在选晶器中引晶段晶体取向控制效果较差和Sn污染等问题，需要采用优化定向凝固工艺参数和使用高强度定向凝固型壳等方法解决上述问题。

关键词：液态金属冷却法镍基单晶高温合金显微组织固溶处理铸造缺陷力学性能

镍基单晶高温合金DD3制备过程中晶粒演化和选晶行为的EBsD研究

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金属学报 2011年第10期47卷 1251-1256页

作者：高斯峰刘林王柠赵新宝张军傅恒志西北工业大学凝固技术国家重点实验室西安710072

采用选晶法在改进的Bridgman定向凝固炉上进行镍基单晶高温合金DD3定向凝固实验,研究了选晶法制备镍基单晶高温合金过程中晶粒组织演化和螺旋选晶行为,采用电子背散射衍射(EBSD)技术对晶粒的竞争过程进行分析.结果表明,选晶器引晶段的... 详细信息

采用选晶法在改进的Bridgman定向凝固炉上进行镍基单晶高温合金DD3定向凝固实验,研究了选晶法制备镍基单晶高温合金过程中晶粒组织演化和螺旋选晶行为,采用电子背散射衍射(EBSD)技术对晶粒的竞争过程进行分析.结果表明,选晶器引晶段的主要作用是优化晶粒取向.获得取向良好的定向凝固组织.在距激冷板36.1 mm处,90%的取向晶粒与轴向偏离小于10°,只有很少的晶粒取向与轴向偏离大于12°.螺旋选晶段的主要作用是确保只有一个晶粒进入型腔,在选晶段沿螺旋方向攀旋一周时就可获得单晶组织.选晶过程中,远离选晶器螺旋通道内侧的晶粒由于受到螺旋通道较强的几何约束,进而被靠近螺旋通道内侧的晶粒所淘汰.螺旋选晶器的狭窄通道对枝晶生长的阻碍作用是实现螺旋选晶的主要原因.

关键词：镍基单晶高温合金螺旋选晶器定向凝固晶粒选择

镍基单晶高温合金DD432的持久性能各向异性

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金属学报 2023年第12期59卷 1559-1567页

作者：张子轩于金江刘金来中国科学院金属研究所、师昌绪先进材料创新中心沈阳110016 中国科学技术大学材料科学与工程学院沈阳110016

分别制备了偏离、及取向的镍基单晶高温合金DD432样品,测定其在760℃、810 MPa和1000℃、280 MPa条件下的持久性能。结果表明,在760℃、810 MPa条件下3个取向的样品组织未发生明显筏化,具有明显的持久寿命各向异性,其中取向样品的持久... 详细信息

分别制备了偏离、及取向的镍基单晶高温合金DD432样品,测定其在760℃、810 MPa和1000℃、280 MPa条件下的持久性能。结果表明,在760℃、810 MPa条件下3个取向的样品组织未发生明显筏化,具有明显的持久寿命各向异性,其中取向样品的持久寿命最长,随着取向偏离角度的增加,持久寿命逐渐降低;取向样品的持久寿命较低,且随着取向偏离角度的增大而增长;而取向样品的持久性能最低,随着取向偏离角度的增加持久性能也有所提升。在1000℃、280 MPa条件下3个取向样品的组织都明显筏化,且筏化组织差异明显,持久性能各向异性有所下降但仍然存在,取向样品的持久性能较取向样品略好,取向样品的持久性能虽然有所提升但依然最差。随着取向偏离角度的变化持久寿命仍然存在差异,但没有表现出明显的线性规律。

关键词：镍基单晶高温合金持久性能各向异性

镍基单晶高温合金γ/γ′(001)相界面上原子构型的分子动力学研究

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物理学报 2005年第3期54卷 1320-1324页

作者：耿翠玉王崇愚朱(弓叟) 钢铁研究总院功能材料研究所北京100081

用分子动力学方法研究了镍基单晶高温合金γ γ′(0 0 1)相界面上三种各具特征的原子堆垛结构 .能量学计算发现 ,存在最优构型 ,动力学模拟显示不同构型的界面弛豫后 ,在相界面上都“成对”出现刃型错配位错 .相关计算表明体系能量、界... 详细信息

用分子动力学方法研究了镍基单晶高温合金γ γ′(0 0 1)相界面上三种各具特征的原子堆垛结构 .能量学计算发现 ,存在最优构型 ,动力学模拟显示不同构型的界面弛豫后 ,在相界面上都“成对”出现刃型错配位错 .相关计算表明体系能量、界面形成能及弛豫能都依赖于界面原子堆垛特征 ,而几何特征则具共性 ,即不同原子构型的界面具有同一的应力释放模式 .

关键词：原子构型分子动力学弛豫同构配位相界面镍基单晶高温合金堆垛位错

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镍基单晶高温合金TLP连接

金属学报 2001年第11期37卷 1165-1168页

作者：李文金涛孙晓峰郭义管恒荣胡壮麒中国科学院金属研究所

采用自制的镍基合金柔性布作为中间层合金对ＤＤ９８单晶高温合金进行瞬态液相（ＴＬＰ）连接，ＴＬＰ连接在１４７３—１５２３Ｋ，０．５－２４ｈ真空条件下进行．利用光学显微镜、扫描电镜时接头的微观结构和化学成分进行观察和分析... 详细信息

采用自制的镍基合金柔性布作为中间层合金对ＤＤ９８单晶高温合金进行瞬态液相（ＴＬＰ）连接，ＴＬＰ连接在１４７３—１５２３Ｋ，０．５－２４ｈ真空条件下进行．利用光学显微镜、扫描电镜时接头的微观结构和化学成分进行观察和分析，利用电子背散衍射测定了连接层和基体之间的结晶学取向．结果表明接头区域由连接区、中间金属／基体金属界面扩散区、基体金属区组成，均匀化处理后的接头与基体上的γ＇沉淀相的尺寸趋于一致，连接层与基体之间的取向匹配良好．

关键词： TLP连接结晶学取向镍基单晶高温合金瞬态液相连接

镍基单晶高温合金冷热循环过程中圆孔周围裂纹萌生与扩展行为

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金属学报 2015年第10期51卷 1273-1278页

作者：王莉周忠娇张少华降向冬楼琅洪张健中国科学院金属研究所北京北冶功能材料有限公司

选用第二代镍基单晶高温合金,制备了平行于定向凝固方向且分别沿(100)面和(110)面的2组板式试样,采用电火花方法在试样中心垂直于板面加工孔径为0.5 mm的圆孔.采用室温到1100℃的冷热疲劳实验,研究了冷热循环过程中不同晶体学平面的板... 详细信息

选用第二代镍基单晶高温合金,制备了平行于定向凝固方向且分别沿(100)面和(110)面的2组板式试样,采用电火花方法在试样中心垂直于板面加工孔径为0.5 mm的圆孔.采用室温到1100℃的冷热疲劳实验,研究了冷热循环过程中不同晶体学平面的板式试样上圆孔周围裂纹萌生及扩展行为.结果表明,位于不同晶体学平面的板式试样中,电火花方法加工圆孔周围产生了一薄层再铸层,再铸层最厚处约15 μm.板式试样所在晶体学平面对圆孔周围裂纹萌生及扩展行为影响显著.冷热循环80 cyc后,(110)面试样中,裂纹在与枝晶生长方向垂直的孔边产生,之后迅速沿与枝晶生长方向呈45°角扩展.而对于(100)面试样,即使经过200 cyc冷热循环后孔边也未观察到裂纹,造成此差异的本质原因是单晶高温合金晶体结构的各向异性导致的热应力差别与微观组织特征共同作用的结果.

关键词：镍基单晶高温合金晶体学取向热疲劳孔裂纹萌生及扩展

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镍基单晶高温合金的屈服准则研究

机械强度 2004年第2期26卷 175-179页

作者：丁智平刘义伦尹泽勇杨治国成晓鸣中南大学机电工程学院中国航空动力机械研究所株洲412002

将Hill屈服准则用于DD3单晶合金屈服应力的预测 ,通过与试验结果比较发现 ,在 760℃时的误差较大。根据单晶材料的屈服特点 ,考虑单晶合金偏轴受载时存在拉、剪应力耦合作用的情况 ,提出一个考虑拉、剪应力耦合能量分量 ,在工程上实用... 详细信息

将Hill屈服准则用于DD3单晶合金屈服应力的预测 ,通过与试验结果比较发现 ,在 760℃时的误差较大。根据单晶材料的屈服特点 ,考虑单晶合金偏轴受载时存在拉、剪应力耦合作用的情况 ,提出一个考虑拉、剪应力耦合能量分量 ,在工程上实用的单晶合金屈服准则 ,给出确定该屈服准则参数的方法 ,并重新定义适合新屈服准则的等效应力和等效应变。对各向同性材料 ,新屈服准则退化为vonMises屈服准则 ,新定义的等效应力和等效应变退化为vonMises等效应力和等效应变。在新屈服准则中出现的参数可以通过单向拉伸试验确定。用该屈服准则对DD3单晶合金的屈服应力进行预测 ,760℃时能很好地符合试验结果 ;与Hill屈服准则相比。

关键词：镍基单晶高温合金屈服准则屈服应力各向异性航空发动机

镍基单晶高温合金界面位错网在剪切载荷作用下的演化

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物理学报 2011年第5期60卷 576-583页

作者：吴文平郭雅芳汪越胜徐爽北京交通大学工程力学系北京100044

运用分子动力学方法,研究了镍基单晶高温合金γ/γ′相界面错配位错网在剪切载荷作用下的演化特征.结果表明(100),(110)和(111)三种相界面形成的位错网在载荷作用下有不同形式和不同程度的损伤,其变形和损伤随温度的增加而增加.在相同... 详细信息

运用分子动力学方法,研究了镍基单晶高温合金γ/γ′相界面错配位错网在剪切载荷作用下的演化特征.结果表明(100),(110)和(111)三种相界面形成的位错网在载荷作用下有不同形式和不同程度的损伤,其变形和损伤随温度的增加而增加.在相同的剪切载荷和温度作用下,(100)相界面形成的正方形位错网最稳定.

关键词：镍基单晶高温合金界面位错网分子动力学