镍基单晶涡轮叶片定向凝固过程温度场数值模拟研究进展

作为先进航空发动机不可缺少的核心部件之一,镍基单晶涡轮叶片(简称单晶叶片)的空心结构尺寸精度、合金元素的分布均匀性和表面及内腔冶金质量等要求极为苛刻。研究发现,定向凝固过程中温度梯度的控制直接影响单晶叶片性能和质量,能否持续获得稳定热流成为定向凝固技术的关键。随着计算机技术的不断进步,数值模拟已经成为单晶叶片定向凝固研究的重要手段之一。首先,对单晶叶片制备技术进行了介绍,分析了定向凝固过程中的传热方式。其次,总结了数值模拟界面换热系数边界条件的优化方法,重点介绍了Beck非线性估算法和有限差分法在界面换热系数求解中的应用,证明了两种方法均可以对铸件/型壳间的界面换热系数进行求解,有效提升了温度场模拟的准确性。最后,对定向凝固过程温度场数值模拟的研究进展进行了追踪,总结归纳出了工艺参数对温度场的影响规律。基于对镍基单晶涡轮叶片定向凝固过程温度场数值模拟研究进展的分析,提出了定向凝固工艺优化方向以及相关技术后续的发展趋势,以促进单晶涡轮叶片的高质量研发。

镍基单晶叶片H_(2)SO_(4)-FeCl_(3)化铣剂及其化铣工艺研究

本文研究了H_(2)SO_(4)-FeCl_(3)化铣剂的配制及其化铣DD5单晶高温合金的能力,采用失重速率和OM、SEM、EDS和AFM表征手段分析化铣剂的化铣效果及能力。研究表明,H_(2)SO_(4)-FeCl_(3)化铣剂合适的配制为:H_(2)SO_(4)浓度4.8 mol·L^(-1),FeCl_(3)浓度0.16 mol·L^(-1),两者体积比为4∶1。该化铣剂对DD5单晶铸造合金中Ni和Al元素有较强的腐蚀能力,化铣速率快,对Mo、W、Ta和Re元素腐蚀能力较弱,化铣速度较慢;在室温下,化铣较为均匀,表层形成了富含Cr和Co的耐腐蚀氧化物,Cr和Co的腐蚀能力较弱;70℃高温下化铣剂对Cr和Co元素有较强的腐蚀能力,化铣速率明显提高。

面向单晶高温合金叶片的激光增材制造修复研究进展

镍基单晶高温合金因其卓越的高温性能,成为航空航天发动机及燃气轮机涡轮叶片的关键材料。复杂的服役环境常导致叶片损伤,但传统修复方法难以满足其对微观组织和力学性能的严格要求。激光增材制造技术作为一种先进的修复方法,能够在较小的热影响区内实现材料的高精度修复,展现出显著的技术优势。然而,激光增材制造技术修复单晶叶片仍面临如何保持单晶完整性、控制冶金缺陷、优化狭窄工艺窗口等问题。此外,激光增材制造修复后热处理制度仍不完善,热处理后产生的再结晶等缺陷会严重影响单晶高温合金叶片的持久、蠕变等力学性能。本文综述了激光增材制造修复镍基单晶高温合金叶片的研究进展,重点探讨了修复过程中裂纹、杂晶缺陷的控制,梳理了对修复后热处理制度的探索历程并总结了激光增材制造镍基单晶高温合金力学性能的相关研究。最后对未来研究方向和发展趋势进行了展望。

晶体取向的偏差和随机性对镍基单晶叶片强度与蠕变寿命的影响

本文提出双参数蠕变损伤模型用以模拟镍基单晶合金叶片的强度和寿命。该模型得到单轴应力状态和模拟叶片、双剪切试样复杂应力状态的考核。叶片分析表明:单晶叶片轴向的偏角增大,强度的分散性变大。两个不受控的晶体取向变化时,滑移系的分切应力最大有15%的变化;轴向的偏角的增大,寿命的分散性变大,15°的偏角,寿命偏差6倍。两个不受控的晶体取向变化时,寿命有50%的变化。结果表明:对叶片进行3维取向优化,可以提高叶片的蠕变寿命。

镍基单晶合金气冷叶片模拟试样的蠕变性能研究

对带孔和不带孔的某第二代镍基单晶合金平板试样进行了蠕变性能试验研究与有限元对比计算.高温蠕变试验表明,平板试样的晶体取向和是否开孔对蠕变寿命有明显的影响.气膜孔导致蠕变寿命的降低,对[001]取向的影响大于[111]取向.在高温低应力条件下,[001]取向的蠕变性能要优于[111]取向.有限元分析结果表明,气膜孔改变了试样中的应力分布,在孔附近产生了高应力,导致模拟试验蠕变寿命的降低.有限元计算蠕变持久寿命与试验结果吻合,说明采用基于分切应力的蠕变持久寿命计算模型是合理的.

镍基单晶合金叶片振动特性分析

利用通用有限元程序Marc分析了单晶叶片的振动特性,考虑了取向、温度和转速的影响。计算结果表明,[111]取向的固有频率大于[001]取向的,取向对高阶固有频率的影响比低阶的大;温度升高,固有频率下降;随着转速增加,固有频率也在增加。转速对[001]取向固有频率的影响要比[111]取向的大。在工作状态下,转速对低阶频率的影响大,对高阶频率的影响则比较小。

镍基单晶涡轮叶片弹塑性应力晶体取向优化

对镍基单晶涡轮叶片的晶体取向进行弹塑性优化分析,结果显示叶片考核点的应力应变为晶体取向的函数。通过对晶体取向的优化,对给定叶片考核点的等效应力最多可下降约8%。单晶叶片应力应变与晶体取向相关,充分利用晶体取向对单晶叶片力学性能的影响,合理控制晶体铸造取向,能够较大地提高单晶涡轮叶片力学性能。通过控制晶体的生长方向可以降低涡轮叶片关键部位的应力和应变,延长其使用寿命。

基于晶体取向的镍基单晶叶片可靠性研究

研究了晶体取向的概率描述模型,收集叶片晶体取向随机数据,分析并给出其分布函数。通过晶体塑性理论对冷却叶片进行有限元强度分析,确定危险区域。在确定性蠕变寿命分析计算的基础上,进一步对单晶叶片蠕变寿命进行可靠性研究。利用Monte Carlo法计算冷却叶片蠕变寿命的随机响应,研究了在晶体取向随机因素影响下叶片蠕变寿命的分布。

航空涡轮发动机中的物理学

航空发动机的技术含量密集而难度高,其制造水平是一个国家工业技术水平的重要标志。航空动力主要使用燃气涡轮发动机,本文简要描述了航空涡轮发动机的结构类型和特性,运用热力学和流体力学的基础理论解释了几种航空涡轮发动机的结构演化,并介绍了航空涡轮发动机的关键技术单晶镍基合金叶片,最后给出了我国航空发动机事业的发展概况。

一种镍基单晶涡轮叶片的微观组织研究

研究了一种单晶涡轮叶片的微观组织,采用光学显微镜和扫描电镜观察叶片的不同部位,探讨了不同影响因素对组织的影响。结果表明:单晶涡轮叶片不同部位的铸态微观组织存在显著差别。随着叶片截面积的增大和与水冷铜盘距离的增加,叶片的平均一次枝晶间距由290μm增大至371μm;共晶相面积比由2.83%增大至6.06%;γ'相枝晶间尺寸远大于枝晶轴。热处理能使叶片的组织更加均匀,减轻甚至消除共晶组织。经热处理改善后的γ'相以0.45～0.50μm的正方化形态均匀分布于基体中。

DD6镍基单晶涡轮转子叶片失效分析

为了排除某航空发动机DD6镍基单晶高温合金涡轮转子叶片在室温振动试验中发生的裂纹故障,对故障叶片进行了外观检查、断口分析、表面检查、解剖检查、化学成分分析、金相检查、应力分布计算及热模拟试验,确定了故障叶片裂纹的性质和产生原因。结果表明:涡轮转子叶片裂纹为高周疲劳裂纹,叶片局部区域存在异常的γ′筏排组织是导致该叶片产生早期疲劳开裂的主要原因,且附近区域腐蚀过重及结构上处于应力集中区,也促进了疲劳裂纹的萌生及扩展。针对这些故障,建议优化叶片结构并对腐蚀检查进行严格监控,防止出现γ′筏排组织及腐蚀过重现象,从而避免此类故障再次发生。

镍基单晶合金叶片疲劳寿命预测方法研究

研究了3种针对镍基单晶合金各向异性低循环疲劳寿命建模的方法,分别为基于单晶合金弹性模量与晶体取向相关性的方法,与各向异性屈服函数相关的方法和传统滑移系的方法。对基于屈服函数的方法进行了修正以将其应用于单晶合金。利用公开文献中DD3单晶合金的低循环疲劳数据对修正的模型进行了验证,并对采用这3种方法得到的数据进行了比较。结果表明:修正的疲劳寿命模型和基于取向函数的寿命模型的预测结果与试验数据相比基本落在3倍分散带内,而采用基于滑移系的方法所得结果在4倍分散带内。基于屈服函数的修正模型和另外2种模型均可以较好地与3维有限元应力分析直接衔接,便于涡轮叶片结构级的寿命预测。

镍基单晶冷却叶片高温持久性的理论与试验研究

采用含有0~4排气膜孔的薄壁平板试样模拟镍基单晶冷却叶片,研究了气膜孔排布对镍基单晶冷却叶片高温持久性的影响,并基于晶体塑性理论建立单晶材料蠕变数值计算模型,将其编入Abaqus用户子程序中,对不同气膜孔排布的薄壁平板试件进行有限元分析。试验结果表明,在气膜孔数相同的情况下,随着气膜孔排数的逐渐增多,冷却叶片高温持久寿命不断降低,且下降趋势逐渐加剧。文中提出了基于有限元数据的高温持久寿命预测幂函数模型,在对应孔排布、应力、温度条件下,其相对误差均小于3%,有限元分析得到的应力场分布结果与试样的断口形貌相吻合。

DD6合金涡轮叶片裂纹失效分析

为了确定DD6合金涡轮叶片在工作过程中叶身排气窗处产生的裂纹的性质和产生原因,对裂纹叶片进行了外观检查、断口分析、成分分析和组织分析。结果表明:DD6合金涡轮叶片裂纹是叶片排气窗间隔墙内腔转接部位再结晶引起的疲劳开裂,再结晶晶粒产生于叶片生产过程中固溶处理之后;叶片其他排气窗间隔墙内腔表面存在小裂纹,是在叶片生产过程的再结晶检测工序中腐蚀液流进内腔侵蚀再结晶晶粒边界所致;并通过模拟试验再现了再结晶晶粒和小裂纹的产生。提出了增加叶片内腔再结晶检测控制、改进叶片排气窗结构或铸造工艺的建议。

DD6镍基单晶合金气膜孔薄壁平板高温蠕变性能

采用气膜孔薄壁平板试样模拟冷却叶片,并与无气膜孔薄壁平板试样蠕变试验结果进行对比,研究了气膜孔对镍基单晶合金冷却叶片模拟试样高温持久断裂寿命的影响.试验结果表明:在950℃和377MPa条件下,无气膜孔薄壁平板试样的高温持久断裂寿命大约是气膜孔薄壁平板试样的2倍,扫描电镜(SEM)断口分析可以看出蠕变损伤首先发源于气膜孔周围并在气膜孔边缘开始起裂.基于晶体塑性理论建立单晶材料蠕变数值计算模型,将其编入Abaqus用户子程序中,对气膜孔和无气膜孔两种薄壁平板试样进行模拟分析.模拟结果显示在气膜孔周边存在应力集中和应力重分布,数值模拟分析结果与试样的断口表面形貌吻合.为便于工程应用,将高温持久断裂寿命与十二面体滑移系最大分切应力幅表达成指数关系,蠕变试验结果表明此式在该应力、温度条件下具有良好的精度.

单晶涡轮叶片晶体取向优化设计

采用损伤型晶体蠕变滑移本构模型,对具体工况下某发动机单晶涡轮叶片进行蠕变变形分析.应用多学科优化设计理论采用自适应模拟退火(ASA)算法和非线性序列二次规划(NLSQP)优化算法对单晶叶片晶体取向进行优化设计.叶片分析结果表明:叶片纵向的晶体取向偏角和叶片横向随机取向的晶向角,对单晶叶片的叶尖蠕变变形具有较大的影响.对随机晶向角进行一维优化,当晶向角为76.2°时,叶片具有最小的叶尖径向位移0.077 74 mm,优化幅度为2.0%;叶片纵向偏差角0°时的叶尖径向位移为0.079 29mm,10°时的叶尖最大位移为0.093 52 mm,最大变化幅度为17.9%.

不同孔间距下镍基单晶叶片气膜孔弹塑性行为研究

气膜冷却作为一重要的热防护技术广泛应用于涡轮叶片中,但是气膜孔的引入破坏了叶片的结构完整性,成为裂纹形核的重要区域。将镍基单晶叶片前缘气膜孔简化为平板模型,基于晶体塑性理论分析了多孔干涉下气膜孔的弹塑性力学行为,分析了孔边分切应力的分布规律;并比较了不同横向、纵向间距对气膜孔弹塑性行为的影响。结果表明多排气膜孔间存在着明显的应力干涉,高应力区出现在相邻两列气膜孔孔心连线区域,低应力区出现在同列气膜孔之间,呈现菱形分布。孔边八面体、十二面体、六面体滑移系均开动,最大分切应力出现在夹角0o/20o/30o的位置上;横向孔间距增加,孔边应力降低;纵向孔间距增加,孔边应力增加。六面体滑移系分切应力对载荷、孔间距变化最为敏感。

单晶叶片取向相关的统一屈服强度分析方法及应用

考虑非施密特效应提出了等效临界分解剪切应力来统一单晶(SC)合金不同取向的屈服强度。利用5种单晶合金的试验数据,建立了统一的等效屈服准则(EYC),对两种单晶合金非常规取向宏观屈服强度的预测精度在可接受范围内。将晶体学弹性本构模型与EYC编制为ABAQUS/UMAT用户子程序,计算了DD6单晶叶片在873种取向条件下的静强度储备系数。结果表明:取向相关的屈服强度分析方法简单有效,较适于工程应用;所开发的单晶叶片计算工具可快速评估单晶叶片静强度;不同晶体取向条件下该型单晶叶片叶身在最大状态下的静强度储备系数在1.8~2.8之间;此型叶片静强度在一定程度上受到晶体取向随机性的影响,但不同取向下其储备系数都满足准则要求。

镍基单晶合金涡轮叶片榫头裂纹尖端应力场及扩展趋势

采用率相关晶体滑移有限元程序,考虑单晶材料晶体取向的影响,对镍基单晶合金涡轮叶片榫头裂纹特性进行有限元分析.分别计算了榫头裂纹在各向同性条件以及{001},{011},{111}三种不同晶体取向下裂纹尖端的Mises应力分布,并判断了裂纹的扩展趋势.结果表明:镍基单晶合金涡轮叶片在{001}[110],{011}[110],{111}[110]取向下的裂纹尖端均存在着明显的应力集中和较大的应力梯度,应力的最大值存在于裂纹尖端;{001},{011},{111}三种不同晶体取向的裂纹尖端的扩展开裂角分别为45°,54.7°,90°,说明镍基单晶合金涡轮叶片的裂纹扩展趋势受晶体取向的影响较大.