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。     

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。     

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.      

考虑应力松弛的单晶涡轮叶片蠕变疲劳寿命预测

建立了民用航空发动机单晶涡轮叶片考虑应力松弛的蠕变疲劳寿命预测方法,该方法在热弹性蠕变有限元计算基础上,综合单轴等应变松弛模型及多轴应力修正因子预测全寿命周期内的应力松弛历程,应力下限取为一次应力.利用综合时间硬化隐式蠕变方程描述蠕变变形,结合损伤雨流计数法及Morrow方程计算疲劳损伤,基于Robinson法则的分段损伤线性累积方法计算全寿命周期内的蠕变损伤,总损伤达到临界损伤时获得蠕变疲劳寿命.通过对公开的单晶材料蠕变疲劳数据的分析,临界损伤定为0.5.结果显示,考虑应力松弛的蠕变疲劳寿命是不考虑应力松弛的45.6倍.为保证可靠性而兼顾经济性,叶片寿命预测时,可先有限元循环加载n个循环,再利用所提出的方法预测2n个循环内的应力松弛历程.      

镍基单晶合金DD3的寿命预测模型

探讨了镍基单晶合金在承受机械载荷和温度载荷时的寿命预测模型。基于疲劳 -蠕变试验及热机械疲劳 -蠕变试验 ,分析了各影响寿命的主要因素。典型断口的 SEM分析表明 :断口由小剖面组成 ,在小剖面的中心 (附近 )有形核于铸造缺陷的小空穴 ,这些小孔洞有不同程度的长大 ,相对于蠕变 ,疲劳断口的小空穴数量 (密度 )明显增加。详细的观察表明 ,这些空穴对高温带保载的疲劳断口而言 ,承受拉伸保载的断口上的空穴明显较承受压缩保载断口上的空穴大。概括而言 ,镍基单晶合金的破坏受到的影响为空穴扩张和材料消耗 ,对蠕变、疲劳和热疲劳都相同。针对镍基单晶合金叶片的温度、载荷特点 ,可以用线形寿命模型统一描述工作寿命。     

单晶涡轮叶片三维晶体取向相关性能分析及优化

采用单晶正交各向异性弹性本构关系,分析了三维晶体取向对单晶涡轮叶片应力分布、蠕变寿命、低周疲劳寿命及叶尖径向位移的影响.结果表明,三维晶体取向对单晶叶片上述性能存在显著影响,且3个取向角之间相互耦合,偏差角对叶片性能的影响随着随机角的方位而变化,随机角对叶片性能的影响也随着偏差角的角度而不同.在此基础上,应用ISIGHT构建了单晶叶片全三维取向优化平台,以蠕变寿命、低周疲劳寿命及叶尖最大径向位移为优化目标,采用邻域培植多目标遗传算法进行了叶片三维取向优化,所得Pareto解聚集在偏差角12°的区域内.选择寿命最长的Pareto解作为最优解,相对于初始强度计算点,蠕变寿命提高6倍,低周疲劳寿命提高37倍,叶尖最大径向位移减小2.5%.      

航空发动机涡轮叶片疲劳—蠕变寿命试验技术研究

涡轮叶片是航空发动机工作环境最恶劣,结构最复杂的零件之一,也是发动机断裂故障多发件之一。由于发动机工作时涡轮叶片始终在高温下承受复合载荷的作用,因此在涡轮叶片定寿中,不能将叶片的蠕变和疲劳寿命割裂开,而必须充分考虑疲劳—蠕变交互作用的影响。目前理论上对结构疲劳—蠕变寿命的预测方法还很不完善,故对涡轮叶片开展疲劳—蠕变寿命试验研究是叶片设计和定寿工作中的重要环节。本文对涡轮叶片疲劳—蠕变试验技术进行了综合论述。文中特别强调了试验载荷谱确定和叶片模拟试验件设计的关键技术环节,同时还介绍了一种专门适用于叶片疲劳—蠕变试验的基于机电伺服加载系统的疲劳蠕变综合试验器。      

考虑应力集中和晶向的单晶叶片低周疲劳优化分析

为评估单晶涡轮叶片低周疲劳寿命,提出了适用于单晶涡轮叶片的剪应力范围修正系数法。对单晶涡轮叶片进行了低周疲劳分析。采用剪应力范围修正系数法,克服了最大剪应力范围方法预测值偏高且无法考虑应力集中效应的缺点,其预测的低周疲劳寿命偏安全。基于有限变形晶体滑移理论、剪应力范围修正系数法和ANSYS有限元软件,建立了适用于镍基单晶涡轮叶片的低周疲劳分析及优化设计平台。对涡轮叶片进行了三维晶体取向相关性分析,通过对297个不同晶体取向的计算分析,预测的低周疲劳寿命最小值和最大值分别为328周和3861周。因此,通过控制晶体取向,可以在不增加重量(或不改变叶片结构)的基础上有效延长叶片低周疲劳寿命。     

镍基单晶涡轮单晶材料的细观力学研究

本文针对CMSX-4单晶材料,在细观层次上对筏化-解筏以及空穴这两种主要损伤机理进行了细观试验研究。结果表明．空穴在蠕变、疲劳和热机械疲劳损伤中起着重大的作用;蠕变过程中的筏化规律影响材料的蠕变寿命,但细观层次的筏化,影响因素较为复杂。本文的研究结果对准确评定镍基单晶涡轮叶片的剩余寿命具有参考作用。     

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。     

镍基单晶/柱晶高温合金超高周疲劳研究进展

镍基单晶/柱晶高温合金具有高温强度高、抗氧化性强、抗疲劳性能优异等优点,是目前先进航空发动机涡轮叶片的主要材料。超高周疲劳（疲劳寿命>10⁸）是涡轮叶片在服役中后期面临的主要问题。对镍基单晶/柱晶高温合金的超高周疲劳进行综述,分析结果表明,单晶/柱晶高温合金在高温下存在反常屈服现象;对比不同频率下的疲劳研究,未发现明显的频率效应;分析断裂机理,发现裂纹主要从内部孔洞等铸造缺陷处萌生。总结了疲劳寿命预测模型,展望了镍基单晶/柱晶高温合金超高周疲劳的发展方向。     

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。      

TMF本构和寿命模型:从光棒到涡轮叶片

针对空心涡轮叶片，发展了考虑瞬态变温效应的热机械疲劳（TMF）本构模型和寿命预测方法。第一，以某涡轮叶片用定向凝固合金DZ125为对象，开展了光棒、缺口TMF试验，结合已有的高温疲劳试验数据，获得了相位、温度范围、应力集中等因素对TMF寿命影响规律；第二，利用材料微观组织分析手段，揭示了导致光棒和缺口TMF失效的疲劳裂纹萌生机理；第三，借助于Chaboche本构模型，进行了各向异性、变温、蠕变损伤修正，建立了考虑变温效应的循环-蠕变本构模型，实现了DZ125合金拉伸、等温循环、蠕变、疲劳-蠕变以及TMF应力应变响应的统一建模和预测；第四，发展了疲劳-蠕变-氧化损伤累积的TMF寿命模型，利用简单纯疲劳和蠕变基础数据获得了寿命模型参数，并进一步发展了名义应力法预测了缺口模拟件的TMF寿命；最后，以某涡轮叶片为对象，进行了模拟飞行载荷谱条件下的瞬态变形响应计算和叶片TMF寿命预测。     

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%.      

取向相关的单晶高温合金低周疲劳寿命评估方法

为研究单晶(SC)高温合金低周疲劳（LCF）性能各向异性规律,收集了SC7-14-6、DD3、PWA1480、Rene N4与DD6共5种单晶合金的低周疲劳试验数据,校验了文献中单晶合金不同晶体取向的弹性模量计算方法,利用不同取向的弹性模量对总应变幅进行修正,提出了一种简单的适用于单晶合金不同取向的低周疲劳损伤参量,进而形成了取向相关的单晶合金低周疲劳寿命评估方法,利用上述5种合金的试验数据对方法进行了验证。结果表明:弹性模量是单晶合金LCF性能各向异性的重要影响因素;文献中的不同晶体取向弹性模量换算方法较为可靠;所提低周疲劳寿命评估方法的预测结果大多在2倍分散带内。此方法形式简单、效果显著,较为适合工程应用。      

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.