单晶涡轮叶片定向凝固过程应力场数值模拟

针对单晶涡轮叶片壁厚尺寸精度偏低和壁厚尺寸漂移大等瓶颈问题,考虑叶片定向凝固过程边界条件不精确因素,通过实际温度数据采集,采用温度场与应力场耦合的有限元模拟方法,对单晶涡轮叶片定向凝固过程进行三维动态模拟,并结合单晶气冷叶片的工作状态,对模拟结果进行定性分析,得到应力分布规律。研究结果表明:当榫头进气窗口倒圆角R=0.5 mm时,叶片最大铸造热应力出现在榫头底面四大进气窗口区域,该区域最大应力比叶身截面最大应力高28.4%;该仿真方法可准确反映单晶涡轮叶片凝固过程温度/应力动态变化,将为避免叶片出现大铸造残余应力区,预防变形工艺,提高叶片壁厚尺寸精度及尺寸稳定性,提供量化参考依据。     

单晶叶片表层组织转变影响因素及其控制方法

针对单晶叶片铸件在高温热处理后，极易在结构畸变区域发生结构再结晶问题，本研究提出了一种基于单晶再结晶临界应力特性的叶片结构残余应力控制方法，旨在通过研究单晶合金再结晶的临界应力特性，并结合结构细节优化设计方法，将叶片结构残余应力水平控制在单晶再结晶临界应力的安全区域内。结果表明：诱发单晶叶片结构再结晶的两大因素是温度和应力集中水平，再结晶起源于不连续的胞状组织，且发生单晶再结晶时的临界应力与叶片结构设计参数、热处理温度之间存在一定的函数关系，经真实叶片试验验证，证实该方法可实现单晶叶片结构完整性与表层组织连续性的控制，有效抑制单晶叶片表层组织的转变。     

弧形燕尾榫结构设计及形状优化

为了设计弧形燕尾榫结构,对弧形燕尾型榫及叶片/榫头连接部位的三角过渡段进行研究,设计一种新的叶根型线.在上述工作基础上,建立了叶根型线与榫头顶面的尺寸约束关系,利用ANSYS软件建立叶片/榫头参数化模型,并开展榫头结构及叶根型线的优化设计,结果表明优化后的新结构叶背处的应力为827.11MPa,比原结构下降6.51%;...     

DD6 单晶合金涡轮叶片排气窗裂纹分析

针对DD6单晶合金涡轮叶片在试车一定时数后发生的排气窗裂纹故障,通过裂纹特征观察、断口形貌对比、金相组织检查、化学成分分析和微裂纹模拟试验等方法,进行裂纹性质及产生机理的研究。结果表明:叶片排气窗裂纹性质为疲劳裂纹,起源于间隔墙转接部位再结晶晶界处的微裂纹;试车时振动应力的作用使微裂纹扩展;间隔墙部位的再结晶晶粒在试车前已经存在,与过大的铸造残余应力有关,再结晶检验时腐蚀液侵蚀再结晶晶界形成微裂纹;在叶片铸造时,型芯强度对间隔墙再结晶有明显影响,型芯的强度越高,产生再结晶的几率越大。     

涡轮榫头/榫槽的结构优化设计

建立了一个涡轮榫头/榫槽的一体化结构设计优化系统.在此优化系统中,采用榫头/榫槽间隙配合的参数化建模方法.利用ANSYS对结构进行非线性接触分析,基于二次开发实现了目标函数以及其他相关结果的自动提取.采用多岛遗传及二次序列规划算法对优化空间进行寻优,在满足几何约束和强度约束的条件下,优化降低了最大拉应力值和当量应力值.实例分析结果表明,一体化优化设计使涡轮叶片、叶盘性能得到明显的提高,所建系统稳定、高效,具有应用于工程实践的可行性和可靠性.      

镍基单晶叶片制造技术及再结晶研究进展

针对航空发动机单晶涡轮叶片的制造技术以及再结晶缺陷进行分析,结合国内外研究现状,从单晶空心涡轮叶片铸造技术、单晶空心涡轮叶片再结晶缺陷及单晶叶片再结晶控制方法等方面,对单晶叶片制造技术及再结晶控制方法取得的研究成果进行总结和分析。重点介绍了叶片制造技术和再结晶控制技术的方法及研究。对我国单晶空心涡轮叶片制造技术及再结晶缺陷的进一步研究重点进行分析。     

激光冲击叶片榫头变形控制与疲劳试验

针对某航空发动机涡轮叶片榫头部位疲劳断裂故障,利用激光诱导高压冲击波对榫头部位进行冲击强化,提高其抗疲劳性能。在试验测试激光冲击GH4133B镍基高温合金材料残余应力场的基础上,确定了叶片材料激光冲击工艺参数;根据榫齿面转接R区结构特征,设计了不等强度分布冲击方式,保证强化区域残余应力均匀、过渡分布,防止出现应力突变。由于榫头结构不均匀,高压冲击波引起的塑性流动使叶片发生宏观变形,采用数值仿真方法分析了激光冲击后叶片榫头宏观变形规律和机理。在此基础上提出了激光冲击叶片榫头变形控制的方法,并设计了榫头结合面冲击区域和方式,保证叶片榫头两侧对应区域的激光能量输入基本相当,通过结合面的塑性流动来减小叶片榫头宏观变形。冲击处理后的叶片榫头表面粗糙度、滚棒尺寸和平面度等均满足技术要求。并分析了激光冲击强化提高叶片高温疲劳寿命的原因。疲劳试验结果表明：激光冲击强化可提高叶片榫头部位的高温高低周复合疲劳寿命提高了279%。     

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.      

发动机榫头/榫槽接触问题的可靠性形状优化设计

在结构可靠性形状优化的基础上，推导了接触问题随机有限元的灵敏度解析分析表达式，给出了优化分析的基本步骤，并对某发动机燕尾型榫头／榫槽接触结构，选取榫头齿颈宽和齿面倾斜角为设计变量，以榫头最大拉伸应力、齿面挤压应力及可靠度指标为约束条件，对榫头边界上节点的最大当量应力进行了优化分析。结果表明，优化后榫头和榫槽接触面上的接触压力、当量应力及可靠度指标的分布更加均匀，验证了优化分析模型的合理性及所提出的可靠性形状优化设计方法的有效性，为榫头／榫槽的结构设计提供有价值的参考。     

一种单晶涡轮叶片凝固过程及晶粒组织的数值模拟

建立了单晶涡轮叶片的有限元模型,采用有限元方法计算了叶片熔模精密铸造凝固过程的流场、温度场以及应力场。数值模拟结果可以为优化单晶叶片铸造工艺、改善叶片晶粒组织结构、提高叶片强度提供依据。     

DD6单晶涡轮叶片缘板裂纹与再结晶研究

针对DD6单晶涡轮叶片在试车后缘板出现裂纹的现象,通过裂纹外观检查、断口形貌观察、显微组织及化学成分分析等工作,开展基于裂纹特征的缘板失效模式研究.研究结果表明:DD6单晶涡轮叶片缘板裂纹是由表面再结晶导致的疲劳开裂,其形成与存在富钨白色析出相的枝晶界面有直接关系;在试验条件下裂纹沿富钨(W)的白色颗粒链扩展,并沿界面延伸,导致疲劳失效.同时,发现缘板表面再结晶在叶片使用之前已存在,是缘板凝固区域因过大铸造热应力而形成碳化物,进而在热处理过程形成晶界富钨白色析出相的再结晶晶粒.      

一种排除带凸肩风扇叶片榫头故障的新方法

探索了一种采取黏弹性橡胶阻尼器抑制带凸肩风扇工作叶片共振的新途径,通过应用于某型机风扇第1级叶片,在叶片结构不变的条件下排除了其榫头断裂故障。在发动机上的验证结果表明:根部橡胶阻尼器减振结构对叶片榫头出现最大振动应力的振型的抑制效果明显,从而拓展了黏弹性材料的应用领域。     

单晶叶片基体表面微裂纹成因分析

单晶高温合金是制造先进航空发动机涡轮叶片的主要材料，其优异性能主要来源于消除了与主应力轴垂直的晶界，而 单晶材料中如果出现再结晶会显著降低其高温力学性能。为探究发动机单晶涡轮导向叶片试验后在叶身前缘下缘板R区产生裂 纹的原因，利用视频显微镜、金相显微镜和扫描电镜等手段对裂纹截面组织进行宏、微观分析，明确了R区的宏观裂纹为抗氧化涂 层裂纹，宏观裂纹附近的叶片基体存在由于叶片表面胞状再结晶晶界开裂所引起的微裂纹。结果表明：单晶叶片表面产生胞状再 结晶主要与叶片抛光、吹砂等修整过程中引入的塑性变形及后续的钎焊工艺有关；抗氧化涂层的开裂促进了胞状晶晶界的开裂； 通过对导向叶片的多个截面组织进行对比分析，发现高温能够加速胞状再结晶的晶界开裂。     

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l₁=0.1141、m₁=0.9873、n₁=-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。