Ni3Al基金属间化合物多尺度本构模型研究

Application of advanced materials is one of the effective methods to improve the performance of aeroengine. Ni3Al-based intermetallics is considered to be near-future candidate for advanced high temperature structure materials in aeroengine hot sections due to its excellent mechanical properties over a wide range of temperatures. However, there have not nice constitutive models which can consider the effects of the micro-structure. In this project, a micro-scale model will be developed by the crystal plasticity theory, unite cell approach and homogenized approach. And the model will be used to predict the micro-scale properties and effects of micro-structure. And the relationship will be built between the micro scale properties and the internal state variables. At last, a multi-scale constitutive model is developed based on a viscoplasticity model. The study of this project will improve the describe ability on Ni3Al-based intermetallics greatly, and provide strong theoretical basis and technical support for the strength assessment and life prediction.

新材料是先进航空发动机的发展趋势之一，金属间化合物Ni3Al基合金作为新一代航空发动机高温部件用结构材料之一，在航空领域获得了广泛的研究关注。但由于缺乏成熟的考虑材料微观组织结构特性的工程设计用本构模型，影响了该类合金的工程化进程。本项目将从微/细观尺度出发，结合晶体塑形理论、单胞法和均匀化方法，建立基于Ni3Al基合金的变形机理的微观模型，研究微观组织结构特征参量对微观力学特性参量的影响，建立微观力学特性参量与材料内变量之间的联系，并基于经典粘塑性本构模型，建立跨连续介质微/细/宏观尺度的多尺度本构模型，并发展数值模拟技术。本项目的研究将解决现有理论模型存在的不足，提高对该类高温材料力学行为的描述能力，为其强度评估和寿命预测提供有力的理论基础和技术支撑。

新材料是先进航空发动机的发展趋势之一，Ni3Al基金属间化合物材料作为新一代航空发动机高温部件用结构材料之一，在航空领域获得了广泛的研究关注。但由于缺乏成熟的考虑材料微观组织结构特性的工程设计用本构模型，影响了该类合金的工程化进程。本项目以IC10合金这一典型的Ni3Al基金属间化合物材料为研究对象，对其室温~1100℃温度范围内的力学行为、变形机理及本构模型开展了深入的研究，取得的重要结果如下：（1）完成了IC10合金力学行为的高温单轴拉伸试验、应变率跳跃试验和应力松弛试验等试验研究工作，分析了合金的应变率敏感性、热激活参量等参量随着温度和变形量之间的函数关系。（2）利用透射电子显微镜（TEM）对IC10合金在700℃和900℃、不同应变阶段的变形机理开展了分析研究，定量计算了不同温度和不同变形量阶段下的位错密度值，建立了位错密度随应变量增加的演化规律。（3）基于IC10合金的变形机理及微细观结构特征，结合晶体塑形理论，完成了均匀化法微/细观本构模型的建立。（4）在分析IC10合金中强化相γ′相尺寸的概率分布规律的基础上，基于概率统计理论，建立了材料的宏观力学性能参数与含不同尺寸γ′相的单胞微/细观力学性能参数之间的关系，进而建立了基于概率统计的单胞模型法。（5）基于位错密度随应变量的演化规律函数，结合晶体塑性理论，改进建立了一种基于位错密度演化规律的多尺度本构模型。（6）运用ABAQUS商用有限元分析软件，编制相关的用户子程序（UMAT），完成了以上三种本构模型的数值模拟技术研究，并将它们应用于模拟预测IC10合金在不同温度范围内的力学行为，模拟结果与试验结果均吻合较好。本项目的研究将解决现有理论模型存在的不足，提高对该类高温材料力学行为的描述能力，为其强度评估和寿命预测提供有力的理论基础和技术支撑。