基于位错-界面交互作用的粉末高温合金短裂纹扩展模拟方法研究

Powder metallurgy Ni based superalloy exhibits excellent high temperature fatigue resistance, serving as the first choice for the turbine disc in advanced military and civil aero-engine. The impediment of grain boundaries and phase boundaries on dislocation slip contributes to the fluctuation of short crack growth rate. The establishment of short crack growth model on the basis of mesoscale failure mechanism will promote further improvement of capability in turbine disk structural integrity design..The main problems of the existing research include: 1) absence of mechanism investigation on slip transmission and cross slip for complex grain boundaries and phase boundaries, 2) neglect of alloy effect on dislocation slip at interfaces, and 3) unsolved accuracy and efficiency problem in potential formulation for multiple alloy elements..Therefore, we are attempting to formulate a multiscale short crack simulation based on slip transfer and cross slip mechanism. The main contents involve: 1) molecular dynamics simulation on slip transfer and cross slip via energy barrier evaluation; 2) alloy influence mechanism of slip transfer and cross slip assisted by the solution of potential in multiple alloys system; 3) multiscale crack model based on slip-interface interaction and in-situ experimental validation. A deeper understanding of short crack mechanism and a more accurate multiscale life assessment in PM Ni based superalloy could be expected, providing a consolidate support for life design of critical component in advanced aero-engine.

粉末高温合金高温抗疲劳性能优异，是先进航空发动机涡轮盘的首选材料。晶界和相界对位错运动的阻碍作用是短裂纹扩展波动特征的主要成因，建立反映滑动转移及交滑移机制的短裂纹扩展模型，有助于进一步提升粉末涡轮盘结构完整性设计能力。现有研究在复杂界面结构及合金元素对界面处位错运动的影响机制,以及多元势函数求解精度、效率方面尚存提升空间。因此，本项目拟针对位错-界面交互作用，建立基于滑动转移及交滑移机制的短裂纹扩展多尺度模拟方法。主要内容包括：采用分子动力学模拟复杂晶界及相界处的滑动转移及交滑移过程，以能垒形式实现量化；建立多元合金体系势函数求解方法，据此探究合金元素对滑动转移及交滑移行为的影响机制；建立反映位错-界面交互作用的短裂纹扩展多尺度模型并实现原位疲劳试验验证。期望通过本项目进一步认知粉末高温合金短裂纹扩展机制，并建立反映该机制的多尺度寿命预测方法，为先进航空发动机关键件寿命设计提供科学支持。

粉末高温合金高温抗疲劳性能优异，是先进航空发动机涡轮盘的首选材料。晶界和相界对位错运动的阻碍作用是短裂纹扩展波动特征的主要成因，建立反映滑动转移及交滑移机制的短裂纹扩展模型，有助于进一步提升粉末涡轮盘结构完整性设计能力。现有研究在复杂界面结构及合金元素对界面处位错运动的影响机制,以及多元势函数求解精度、效率方面尚存提升空间。.因此，本项目拟针对位错-界面交互作用，建立基于滑动转移及交滑移机制的短裂纹扩展多尺度模拟方法。主要内容及重要结论如下：.①采用分子动力学模拟晶界处的滑动转移行为，结合层错能参量量化晶格滑移阻力，基于离散位错模型量化短裂纹扩展门槛值。结果表明，短裂纹扩展门槛值取决于晶粒尺寸和应力幅值。.②探究Cr和Fe合金元素对滑动转移行为的影响机制，确定主要滑动转移行为的核心控制参量。结果表明，随合金元素含量增加，滑动转移反应路径改变，据此提出滑动转移路径判定方法，与分子动力学模拟结果具有较强一致性。.③提出一种变分形式的螺位错交滑移线张力模型，基于分子动力学模拟纯镍原子中的交滑移行为。结果表明，相比于传统恒定张力模型，该模型能够有效量化外加应力影响下的交滑移能垒，以及交滑移反应路径。.④建立耦合晶体塑性及扩展有限元的短裂纹扩展模拟方法，提出滑移系累积切应变判据，发展类周期性跳跃算法。结果表明，对比短裂纹扩展原位试验，速率及寿命预测相对误差在20%以内，相比于传统唯象模型得到大幅提升。.本项目所得结论、模型、方法，进一步应用于粉末高温合金夹杂位置工程可检裂纹的萌生寿命预测，相比于传统唯象模型，该方法可反映粉末高温合金夹杂致裂及短裂纹扩展物理机制，在模型通用性上具有优势显著。