关键航空合金材料中动态应变时效的多尺度关联实验与机理研究

Independent development of advanced aero engine is strategic development goal in our country. Unfortunately, dynamic strain aging (DSA) in many superalloys used in turbine disc, which brings serrated yielding and deformation localization, degrades the performance and life of aero engine. Combine national needs, DSA in aeronautical alloys will be investigated in this project by the following researches. 1) Based on 3D-digital image correlation method and real-time phase shift shearing speckle interferometry, two measuring systems will be established to observe deformation localization during loading under high temperature. 2) The characteristic of serrated yielding and deformation localization in superalloys and the influence of microstructure on the behaviors of mechanics and deformation will be presented. 3) Experiments will be proposed to observe the processes of solute cloud forming around dislocations and the unpinning of dislocations from solute cloud. 4) The underlying mechanism of DSA in superalloys will be revealed and an effective model will be developed to reproduce the behaviors due to DSA. These results will contribute to suppress DSA and to offer the guidance of the design and the safe employment of superalloys.

自主研制先进航空发动机已定为我国的战略发展目标。而涡轮盘合金材料在高温服役时出现的动态应变时效（dynamic strain aging, DSA），引起锯齿形屈服，降低了材料疲劳周期和延展性等力学性能，直接影响发动机性能和寿命。本项目结合国家需求，由实验力学和金属物理学交叉领域的团队合作，以涡轮盘高温合金和飞机蒙皮材料为对象，针对当前DSA研究的基础科学问题，1）建立高温加载条件下3D数字图像相关法和实时相移剪切散斑干涉法测量平台，观察分析局域化变形带的动态演化过程；2）揭示高温合金锯齿形屈服和局域化变形带的特征规律，探索微观结构对宏观力学和变形行为的影响；3）观察位错线周围溶质原子气团的形成过程和位错脱钉的集群运动，为DSA理论提供直接实验证明；4）解析高温合金中DSA机理，模拟再现DSA引起的行为特征，寻求抑制DSA影响的方法，为关键航空合金材料的设计和安全使用提供指导性依据。

自主研制先进航空发动机已定为我国的战略发展目标。而涡轮盘合金材料在高温服役时出现的动态应变时效（dynamic strain aging, DSA），引起锯齿形屈服，降低了材料疲劳周期和延展性等力学性能，直接影响发动机性能和寿命。本项目结合国家需求，由实验力学和金属物理学交叉领域的团队合作，以涡轮盘高温合金和飞机蒙皮材料为对象，针对当前DSA研究的基础科学问题，1）建立高温加载条件下3D数字图像相关法和实时相移剪切散斑干涉法测量平台，观察分析局域化变形带的动态演化过程；2）揭示高温合金锯齿形屈服和局域化变形带的特征规律，探索微观结构对宏观力学和变形行为的影响；3）观察位错线周围溶质原子气团的形成过程和位错脱钉的集群运动，为DSA理论提供直接实验证明；4）解析高温合金中DSA机理，模拟再现DSA引起的行为特征，寻求抑制DSA影响的方法。.至项目结题节点（2018.12）：（1）建立了研究试验计划的平台，包括拉伸机夹头改进、高温试验箱观察窗口、三维数字图像相关分析软件、冶炼制备了多批次的高温合金材料（Ni-Co、Ni-C和Ni-Mo等二元系列合金，Nimonic 263、K417G、IN792等系列高温合金，不同γ'相含量、不同γ'相形状、不同层错能的GH4068合金以及搅拌摩擦加工工艺制备的GH4068合金）和铝合金材料(GB6061、GB5456)。在此基础上，将制备的合金材料加工成试件，开展了不同温度、加载应变率、试件尺寸（厚度）PLC效应的宏观拉伸和微观组织结构观察实验研究。（2）在球差校正透射电镜平台上，原位观察了加工制作的合金材料，在加载过程中原子排序的变化，可以观察到加载过程中位错运动、层错的形成。（3）模拟方面，模拟了溶质原子向位错汇聚的过程，再现锯齿形屈服的行为特征。.课题组开发建立的三维数字图像相关系统已经发展为公共软件，被北京大学、清华大学和力学研究所等高校和研究所应用，可以应用于航空、航天、土木、船舶、机械等领域中形貌、位移和变形的测量。通过对高温合金材料DSA和PLC效应的影响的研究，为关键航空合金材料的设计和安全使用提供指导性依据。