镍基单晶合金蠕变研究: 叶片蠕变的有限元分析

该文为镍基单晶合金高温蠕变建模研究工作的第三部分,利用前面研究已建立的蠕变材料模型及编写的ABAQUS软件UMAT子程序,选取了模型涡轮一级叶片叶身段,利用单晶DD3蠕变数据和实际叶片温度场,通过设定不同的晶体去向,分析了叶片主晶体去向偏差对叶片蠕变的影响,计算同时也给出了次向晶向偏差对分析的影响.整个分析,揭示了不同取向对叶片蠕变的影响:不同于材料的蠕变,叶片在通常控制的10°取向偏差内,蠕变分散也较大.      

DD3单晶弹粘塑性损伤本构模型

介绍了DD3单晶高温合金宏观各向异性，弹粘塑性损伤本构模型的建立过程，推导了模型中的DD3单晶损伤演化方程；对模型的结构和特点作了简要分析。对模型材料常数的标定方法作了简单的讨论。利用DD3单昌材料的实验数据，对950℃下的模型材料常数进行了具体标定，给出了标定结果。给出了模型的预测结果和试验结果的对比曲线，从这些曲线可以看出，该模型能够比较准确地描述单晶的力学行为特点，可望用于单晶叶片的结构分析。     

各向异性单晶叶片强度寿命研究—第Ⅱ部分:实验研究

单晶叶片技术是提高航空发动机及地面燃气轮机性能、寿命及可靠性的关键技术之一，但单晶材料机械、力学性能的各向异性特性制约了其发展和应用，对其工程应用及应用的理论基础提出了挑战。课题组开展了各向异性单晶叶片强度分析和寿命预测方面的一些研究工作。包括：建立并验证了弹塑性、蠕变滑移本构模型及蠕变持久寿命预测方法；进行了不同晶体取向DD3单晶在不同温度、不同速率或不同温度、不同应力水平下的拉伸试验及蠕变试验，这些实验数据及由其反映的单晶中、高温各向异性特性对单晶材料的应用具有重要意义。此外还进行了某种单晶叶片的实验研究。作为上述研究的应用，对某发动机单晶涡轮叶片进行了强度分析和寿命预测。本文这一部分介绍试验研究工作，本构模型及其应用已在本文第I部分作了介绍。     

单晶涡轮叶片材料本构模型及应用研究

综述了各向异性单晶叶片强度分析和寿命预测方面的一些研究工程，这些工作包括；建立并验证了弹塑性，蠕变滑移本构模型及蠕变持久寿命预测方法，进行了不同晶体取向DD3单晶在不同温度，不同速率或不同温度，不同应力水平下的拉伸试验。蠕变，疲劳及热疲劳试验。开发了大型单晶结构有限元分析软件SLAPSC和ABAQUS的umat；用双剪切试样和模拟叶片等系列试验对模型和有限元进行考核。并应用上述试验研究的结果，对某发动机单晶涡轮叶片进行了强度分析和寿命预测。     

各向异性单晶叶片强度寿命研究—第I部分:晶体滑移本构模型及应用

单晶叶片技术是提高航空发动机及地面燃气轮机性能、寿命及可靠性的关键技术之一，但单晶材料机械、力学性能的各向异性特性制约了其发展和应用，对其工程应用及应用的理论基础提出了挑战。课题组开展了各向异性单晶叶片强度分析和寿命预测方面的一些研究工作。包括：建立并验证了弹塑性、蠕变滑移本构模型及蠕变持久寿命预测方法；进行了不同晶体取向DD3单晶在不同温度、不同速率或不同温度、不同应力水平下的拉伸试验及蠕变试验，这些实验数据及由其反映的单晶中、高温各向异性特性对单晶材料的应用具有重要意义。此外还进行了某种单晶叶片的实验研究。作为上述研究的应用，对某发动机单晶涡轮叶片进行了强度分析和寿命预测。本文这一部分介绍本构模型及应用，实验研究将在第II部分介绍。     

镍基单晶合金高温蠕变的θ映射模型

针对镍基单晶涡轮叶片蠕变的晶体方向性问题,运用θ映射法,在晶体滑移理论框架下,建立了能够描述镍基单晶合金各向异性蠕变的θ模型.利用文献中2种镍基单晶合金(DD3和CMSX-4)的蠕变数据,对所采用的方法进行了验证,并获得了2种材料各自对应的材料参数.理论预测值和试验数据基本吻合.结果表明:将θ映射法移植到晶体滑移理论中是可行的,能够用来模拟镍基单晶合金的各向异性蠕变行为.     

单晶材料涡轮叶片的循环蠕变分析

对ＤＤ３材料单晶涡轮叶片进行了应力循环和应力、温度同时循环下蠕变计算,得到了叶片在两种情况下的循环蠕变结果,并对两种结果和静态蠕变作了对比分析,从而为了解叶片在实际变工况下的循环蠕变行为提供了理论依据。     

单晶涡轮叶片材料本构模型及应用研究

综述了各向异性单晶叶片强度分析和寿命预测方面的一些研究工作。这些工作包括:建立并验证了弹塑性、蠕变滑移本构模型及蠕变持久寿命预测方法;进行了不同晶体取向DD3单晶在不同温度、不同速率或不同温度、不同应力水平下的拉伸试验、蠕变、疲劳及热疲劳试验;开发了大型单晶结构有限元分析软件SLAPSC和ABAQUS的umat;用双剪切试样和模拟叶片等系列试验对模型和有限元进行考核。作为应用研究,对某发动机单晶涡轮叶片进行了强度分析和寿命预测。      

DD6单晶合金的高温蠕变/疲劳损伤研究

利用高频感应加热的方法对DD6单晶合金的高温蠕变／疲劳损伤性能损伤统一本构方程对其各向异性特点和损伤发展规律进行了有限元数值计算。研究发现，DD6单晶合金的高温蠕变／疲劳性能存在明显的方向性，同时在高温条件下蠕变损伤对试件破坏起重要作用，蠕变与疲劳的交互作用会大大缩短材料的循环寿命。     

一种镍基单晶和定向结晶合金的疲劳寿命模型

针对镍基单晶和定向结晶合金的高温低循环疲劳/蠕变寿命预测问题,用晶向函数修正总应变范围以考虑疲劳寿命的各向异性,并综合考虑了最大应力、平均应力、应力范围以及峰值保持等载荷因素对寿命的贡献,在循环损伤累积思想的基础上发展了一种低循环疲劳/蠕变寿命预测方法.利用定向结晶合金DZ125、单晶合金DD3和DD6在不同温度、不同取样方向和不同保载形式作用下的试验结果,对方法进行了验证,预测与试验寿命相比基本落在2倍分散带内,表明该方法能更好地适应叶片材料各向异性与低循环疲劳/蠕变载荷的情况.      

镍基单晶结构的蠕变损伤寿命研究

基于镍基单晶合金材质细观演化规律，提出了同时考虑筏化-解筏及夹杂空洞损伤机理的双参数蠕变损伤本构模型。该本构模型已编入ABAQUS的umat。单向应力状态试验表明它可以模拟镍基单晶结构材料的蠕变规律，特别是晶体取向相关性；利用双剪切和模拟单晶叶片蠕变试验对模型进行了考核，结果相当满意。进一步对单晶叶片的蠕变损伤寿命进行分析，叶片的三维取向优化，可以很大程度地提高叶片的蠕变寿命。     

变载条件下镍基单晶合金蠕变本构建模方法

针对镍基单晶合金在变载条件下的蠕变计算问题,基于"等损伤"假设提出了一种用于变应力/温度条件下的硬化准则,并与耦合损伤的蠕变模型相结合.采用Arrhenius对数关系式对蠕变应变速率进行温度内插,使之能够用于给定温度范围的蠕变计算.将上述蠕变模型编写为ABAQUS/UMAT用户子程序,利用DD3,CMSX-4,DD6和...     

DD3 单晶粘塑性损伤本构模型研究

介绍了建立DD3单晶高温合金本构模型的理论和过程,详细推导了DD3单晶损伤演化方程,简要分析了模型的组成和特点。简单讨论了模型材料常数的标定方法,具体标定了950℃下的模型材料常数。给出了模型的预测结果和试验结果的对比曲线,从中看出,该模型能够较准确地描述DD3单晶的力学行为特点,可望用于单晶叶片的结构分析。     

镍基单晶合金涡轮叶片蠕变分析的MARC用户子程序开发

基于通用有限元软件MARC开发了用于模拟单晶合金材料蠕变性能的用户子程序CRPLAW。该子程序采用经典Norton蠕变本构方程，可以模拟单晶材料在不同温度和不同取向下的蠕变性能。利用CRPLAW对镍基单晶叶片进行蠕变分析，得到了较为满意的结果。通过修改蠕变参数，CRPLAW也可以用来模拟其它晶体合金的蠕变性能。     

镍基单晶蠕变研究：基于晶体塑性的蠕变模型

在镍基单晶合金高温蠕变建模工作的第二部分,通过提出的蠕变材料模型,在晶体塑性理论的变形梯度与滑移系剪切应变率关系的基础上结合不同温度下不同滑移系上的蠕变机理,最终建立起滑移系上行为与材料结构变形的联系。材料本构方程的积分采用了四阶Runge-utta法,并通过对DD3和 CMSX-4两种材料在不同温度,晶体取向和应力水平下的试验曲线进行计算模拟,说明了模型及算法的可行性及对较宽的温度、应力和晶体取向下蠕变行为模拟的能力。     

镍基单晶合金蠕变研究:基于晶体塑性的蠕变建模

在镍基单晶合金高温蠕变建模工作的第二部分,通过提出的蠕变材料模型,在晶体塑性理论的变形梯度与滑移系剪切应变率关系的基础上,结合不同温度下不同滑移系上的蠕变机理,最终建立起滑移系上行为与材料结构变形的联系.材料本构方程的积分采用了四阶Runge-Kutta法,并通过对DD3和CMSX-4两种材料在不同温度,晶体取向和应力水平下的试验曲线进行计算模拟,说明了模型及算法的可行性及对较宽的温度、应力和晶体取向下蠕变行为模拟的能力.      

DD6单晶合金循环蠕变性能研究

采用含与不含气膜孔平板试样,研究了[001]、[011]和[111]晶体取向在980℃不同保载时间和应力条件下的镍基单晶合金DD6的循环蠕变性能。研究发现,DD6单晶合金的高温蠕变疲劳性能存在明显的方向性,试样形状及表面状态是影响单晶合金寿命的重要因素,特别是气膜孔的存在显著地降低了材料的循环蠕变寿命;不含气膜孔平板试样蠕变损伤起主要作用,含气膜孔平板试样疲劳损伤起主要作用。同时,在高温条件下,不同保载时间的蠕变和疲劳损伤对试件的破坏起重要作用,蠕变与疲劳的交互作用会大大缩短材料的使用寿命。     

镍基单晶合金蠕变研究:试验、机理及材料模型

在镍基单晶合金高温蠕变建模研究工作的第一部分,通过对DD6镍基单晶合金不同中断时间的高温蠕变试验及透射电镜(TEM)观察,结合单晶合金蠕变机理的研究成果阐明了单晶高温蠕变的机理,并从Orowan方程出发,在晶体塑性理论框架下建立描述晶体滑移系上位错演化规律的方程,发展了以位错密度变化表征镍基单晶高温蠕变的材料模型.该模型考虑了较宽温度与载荷范围内单晶的主要蠕变机理,可较好地建模750～1100℃范围内镍基单晶的各向异性蠕变行为.      

晶轴偏转对DD6带冠叶片频率特性的影响

针对DD6单晶带冠叶片铸造过程中极易产生晶轴偏转,进而对叶片固有频率和相邻叶片叶冠间挤压力产生较大影响这一问题,采用有限元分析方法,对DD6单晶带冠叶片进行静应力和模态分析,获得了不同偏转角下叶片固有频率及叶冠间挤压力的变化规律。即随着偏转角β的增大,1、2阶固有频率升高,3、4阶固有频率非单调变化;同时,还将导致叶冠间挤压力减小,进一步影响固有频率。通过锤击法对该叶片频率进行了试验测量,对有限元分析的结果进行了验证。     

DD6单晶叶片射线检测中常见疑似缺陷显示的试验研究

针对DD6单晶叶片射线检测底片上出现的一些疑似缺陷,作者从理论分析和具体实验两方面进行了研究.从叶片的材料性能和铸造角度分析,DD6单晶叶片可能存在孔洞类的内部冶金缺陷.而设计的具体实验则是将收集的11片叶片样品进行解剖,并将断面与其射线底片进行对比,得出结论:这些疑似缺陷并不是金属内部冶金缺陷,而是表面缺陷.