DD6单晶合金蠕变特性及断裂机理

在500MPa、900℃和300MPa、1000℃两种环境条件下,通过实验研究了[001]、[011]、[111]三种取向的镍基单晶合金DD6的蠕变特性及断裂机理。结果表明:DD6单晶高温合金蠕变性能具有明显的晶体取向相关性,在相同的温度和应力条件下,三种取向的单晶合金寿命差别很大,温度是影响[001]取向单晶合金蠕变寿命的主要因素,而应力则是影响[011]和[111]取向单晶合金蠕变寿命的主要原因。同时,晶体取向和实验条件的不同,都会使最小蠕变率发生变化,随着温度的升高,不同取向晶体的各向异性减弱,相同条件下,[111]取向最大蠕变量最大,[001]取向次之,[011]取向最小。而晶体取向对断裂机理有直接的影响,[001]、[111]取向DD6单晶合金的断裂是由微孔引起的断裂,[011]取向的DD6单晶合金在900℃、500MPa条件下的蠕变断裂为滑移断裂,1000℃、300MPa条件下的断裂为滑移面断裂和韧窝断裂二者兼有的混合型断裂。

镍基单晶涡轮冷却叶片力学性能表征技术研究新进展

镍基单晶涡轮叶片作为20世纪80年代以来航空发动机重大技术之一,近几年的发展相当迅速,相继开发了几代单晶合金,目前被广泛应用于先进的在役和在研的航空发动机,为大幅度提高发动机性能作出了重大贡献。

叶根倒角模拟件设计

为了避免涡轮叶片叶根倒角低周疲劳开裂故障的发生,需借助叶根倒角特征模拟件对叶根低周疲劳强度进行考核。基于几何等效相似和载荷工况等效原则,设计了一种真实叶根倒角的特征模拟件。特征模拟件的榫头/叶身沿着周向投影宽度比例、缘板外侧与榫头外侧距离、缘板厚度、倒角半径等重要几何参数均与真实叶片一致。基于线弹性本构,采用Abaqus软件计算了特征模拟件在等效载荷工况下的应力分布。计算结果表明,特征模拟件的最大应力为187.6 MPa,出现在凸台过渡区倒角处,最危险点第一主应力方向为l_(1)=0.1141、m_(1)=0.9873、n_(1)=-0.1103,均与真实叶片对应部位的应力情况吻合,说明该叶根倒角特征模拟件设计合理,可用于考核真实涡轮叶片倒角的低周疲劳强度。

基于遗传算法的榫槽部位模拟件设计方法

航空发动机构件的模拟件设计方法已成为工程领域研究的重要内容。设计出能反映实际构件真实服役状态的模拟件,可节约试验成本和周期,对构件有效地完成试验考核具有重要意义。针对航空发动机榫槽部位应力分布情况,将遗传优化算法与商用有限元软件ABAQUS相结合,提出航空发动机榫头/榫槽特征部位模拟件设计方法。利用该方法实现自动搜索榫头/榫槽特征部位处第1主应力最大梯度路径,并获取该路径上的应力分布。结果表明:该方法设计的模拟件最危险点的应力状态与零部件特征部位处的应力状态保持一致,二者在最危险点附近一定区域内应力梯度相同;所设计的模拟件与零部件的应力状态吻合较好,可以模拟任意情形下的应力及应力梯度。

镍基单晶高温合金沉淀相尺度效应研究

对Ni3Al（γ’）沉淀相尺寸对镍基单晶高温合金拉伸性能的影响进行了研究。对镍基单晶高温合金而言,材料的屈服来源于位错以Orowan机制绕过沉淀相,而Orowan应力与沉淀相间距有关。根据这一机理,基于晶体塑性理论,引入一个本构方程以表征沉淀相尺寸对镍基单晶高温合金屈服强度的影响。采用该本构模型,分别计算了在[001]以及[111]2个取向下,含有尺寸为0.22.5μm沉淀相的镍基单晶高温合金屈服强度,并与试验结果进行了对比验证。结果表明,该模型可以准确表征镍基单晶高温合金沉淀相的尺度效应。

镍基单晶高温合金[111]取向拉压不对称分析

试验表明,[111]取向镍基单晶高温合金宏观滑移迹线符合六面体滑移特征,而微观位错滑移机制为八面体滑移。针对上述宏、微观现象,提出了一种'之'字形交滑移模型,使宏观六面体滑移迹线与微观位错的八面体滑移在该模型中得到了很好的统一。同时,在上述'之'字形交滑移变形机制的基础上,对[111]取向的拉压不对称特性进行了分析,提出一种位错分解方式,对[111]取向产生拉压不对称特性的微观机制进行了表征。最终,基于上述两种机理,建立了[111]取向镍基单晶高温合金的拉压不对称预测模型。该模型不仅能够对[111]取向镍基单晶高温合金屈服强度进行预测,而且可以表征屈服强度的拉压不对称特性,即压缩屈服强度大于拉伸屈服强度以及拉压不对称随温度升高愈加严重的现象。

基于筏化的镍基单晶合金高温蠕变模型

采用应力法以及界面能法对不同取向的镍基单晶合金在950℃下的筏化类型进行了预测.上述两种方法的筏化预测结果一致,[001]取向为N型筏化,[011]取向为P型筏化,[111]取向不筏化.进一步,根据筏化预测结果以及晶体滑移理论,结合Kachanov-Robotnov（K-R）损伤演化公式,建立了一个镍基单晶合金蠕变模型,采用该模型并结合商用有限元软件Abaqus的用户材料子程序（UMAT）二次开发接口,对[001],[011]和[111]取向下的CMSX-4镍基单晶合金,在950℃,180~450MPa应力条件下的蠕变变形行为进行了模拟.该模型能够准确预测镍基单晶合金的筏化类型以及滑移系开动规律,更加符合材料的蠕变变形物理机制,因此模型可以对镍基单晶合金的高温蠕变曲线的第2,3阶段进行很好的模拟,并得到了试验的验证.

DD6单晶冷却涡轮叶片模拟试样拉伸性能

研究了[001]取向的冷却叶片模拟试样的拉伸性能与断口。分别从温度、薄壁厚度以及气膜孔3个方面分析对其力学性能的影响。结果表明:薄壁圆管试样在过峰值温度后,抗拉强度与屈服强度随温度上升而降低,延伸率与截面收缩率则不断递增;2mm比1.5mm薄壁试样的抗拉强度、屈服强度、延伸率及截面收缩率都要大;带气膜孔试样存在应力应变集中,导致其抗拉强度与屈服强度,延伸率与截面收缩率都要比不带气膜孔试样的低。对试样断口进行SEM分析,结果表明在中温和高温条件下,断口呈现不同的断裂特点,850℃的试样断面由光滑斜平面组成,而980℃的断口则以韧窝断裂为主。

GH4720合金涡轮盘榫槽模拟件疲劳性能研究(英文)

基于航空发动机涡轮盘榫槽结构特点及其工作状态,采用榫槽模拟件对GH4720合金的疲劳失效机理和裂纹扩展寿命进行了实验研究和理论分析。研究结果表明:GH4720合金榫槽模拟件的疲劳失效表现为3个阶段:(i)模拟涡轮盘榫槽处由于较高的应力集中而产生滑移,进而萌生裂纹;(ii)随着应力集中和循环载荷的持续,相邻晶粒间位错开动、发生滑移,裂纹在晶粒间传递;(iii)随着应力强度因子范围增大,剪应力和主应力交互作用、滑移系开动及位错在不同滑移系间的运动,裂纹快速扩展。在实验基础上建立了GH4720合金的疲劳裂纹扩展寿命模型,基于有限元分析的榫槽处的应力和裂纹扩展寿命模型得到的裂纹扩展寿命与实验结果相符,表明该裂纹扩展寿命模型可用于工程中预测涡轮盘的剩余寿命。

晶体随机取向对单晶切口试样尖端滑移特性的影响

利用考虑潜在硬化和晶格转动效应的率相关晶体滑移有限元程序,采用镍基单晶双切口模型,针对不同切口取向,分析了叶片随机取向对切口附近区域应力应变分布特性和滑移系激活规律的影响。结果表明:不同取向单晶切口附近的滑移系开动存在显著差异,开动的滑移系随载荷增大而增多,在切口不同部位,激活的滑移系也不同。切口取向平行于[310]晶向时,在切口10o和170o处,滑移系成对发生开动。在取向偏角β=45o附近,最大分切应力达到极大值,在0o和90o时,为多滑移开动情形。在切口厚度方向上,最大分切应力在中心部位分布均匀,在临近外表面处存在明显的梯度波动,可知滑移(裂纹启裂)事实上在中面开始,然后延伸至表面上。

涡轮盘关键部位多圆弧设计及多变量优化

为得到质量最低且满足设计准则要求的涡轮盘结构形式,研究了多圆弧过渡对涡轮盘关键部位应力的影响。提出了双圆弧和三圆弧结构设计方案并推导了几何关系,为过渡圆弧的改进与优化提供了理论上的支持。通过有限元计算,获得了多圆弧结构参数对涡轮盘应力的影响规律。基于ANSYS Workbench优化平台及参数化建模技术,筛选了优化设计变量,以涡轮盘总质量最小为优化目标,以等效应力为约束对涡轮盘关键部位进行了多变量优化。结果表明:经过优化设计,两个关键部位的最大应力分别降低6.62%和11.40%,涡轮盘的质量减小0.16%。本文的研究结果为涡轮盘的多圆弧设计和工程应用提供了有益参考。