基于临界平面的镍基单晶高温合金疲劳寿命预测模型

根据循环损伤累积的思想,发展了一种基于临界平面的镍基单晶高温合金疲劳寿命预测模型.以非弹性应变能密度最大的滑移面作为镍基单晶高温合金承受最大损伤的临界平面,并结合基于滑移系的黏塑性变形分析结果,建立了疲劳寿命与最大滑移系分解剪应力、最大滑移剪应变率、滑移剪应变范围、应变比以及拉伸/压缩保载频率等临界平面参数的函数关系.采用760℃下DD6单晶的疲劳试验结果对上述预测模型进行验证,试验与计算结果符合良好,基本在2倍分散带内.      

基于主成分分析的镍基单晶高温疲劳寿命模型

采用滑移平面作为临界平面,并以滑移平面上的细观参量作为损伤参量研究材料损伤行为能很好地体现镍基单晶破坏的物理机制.滑移平面上细观参量通过本构模型相互联系,存在较强的多重共线性,导致寿命建模时难以得到合理稳定的材料常数.为此,引入主成分分析方法消除初始细观参量间的多重共线性影响,确定了临界平面主导损伤因子,并基于主导损伤因子建立了寿命模型.对比直接采用初始细观参量建立的寿命模型,该模型形式更为简单,材料常数稳定、合理,反映了细观参量对镍基单晶损伤影响的量化特征.采用760℃与980℃下DD6高温疲劳试验结果对寿命模型进行验证,试验寿命基本落在预测寿命的3倍分散带内.      

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.      

单晶高温疲劳损伤参量的选取与寿命建模

高温疲劳损伤是引起单晶涡轮叶片破坏的主要因素之一。利用不同试验条件下DD6标准试件的低周疲劳和蠕变-疲劳试验结果,结合基于滑移系的黏塑性应力-应变分析,分别研究了晶体取向、应变范围、平均应变以及保载时间等对单晶高温疲劳损伤的影响机制。进而采用滑移剪应变最大的滑移系作为临界滑移系,选取临界滑移系上的最大Schmid应力、最大滑移剪应变率、循环Schmid应力比以及滑移剪应变范围等细观参量作为损伤参量,建立了一种新的基于临界平面的循环损伤累积（CDA）模型。结果表明,该模型对于DD6高温疲劳寿命预测精度基本在3倍分散带内。     

单晶高温合金持久性能各向异性分析

为阐述单晶高温合金持久性能各向异性规律,收集了Mar-M247、RR2000、DD6、PWA1484、CMSX-2、CMSX-4、Alloy454与SC7-14合金的持久寿命数据,调研文献探索其影响因素,总结了近〈001〉取向小角偏离对持久寿命的影响,研究晶体取向与持久寿命间的关系,定量分析了温度对持久性能各向异性的影响。结果显示: {111}〈112〉滑移系的“位错滑移”与“晶格转动”是中低温下(760~850 ℃)单晶合金持久性能各向异性的重要原因;偏角相同的条件下,靠近“［001］~［011］”边界的近〈001〉取向持久性能相对优异;不同牌号单晶合金持久性能各向异性规律不同,不存在恒定的“持久性能最优取向”;随着温度升高,晶体取向对持久性能影响减弱,针对DD6与CMSX-4合金,高温下(大于950 ℃)可用〈001〉热强综合参数曲线评估〈011〉与〈111〉取向的持久强度。      

一种考虑各向异性的DD6单晶高温合金低周疲劳寿命预测方法

为研究DD6单晶合金低周疲劳性能,准确预测其低周疲劳寿命,基于循环损伤累积(CDA)寿命模型,引入取向系数,提出一种考虑晶体取向的CDA寿命修正模型,并对DD6单晶合金试棒进行了760℃低周疲劳试验。利用CDA寿命修正模型与Coffin-Manson寿命预测模型对试验数据进行分析、比较得到:DD6单晶合金低周疲劳性能[001]取向最优,[011]取向次之,[111]取向最差;CDA寿命修正模型在各晶体取向寿命预测分散性皆优于Coffin-Manson寿命预测模型,具有更好的预测精度;CDA寿命修正模型综合考虑取向相关系数对各取向低周疲劳寿命的影响,具有更广泛的适用性。     

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.      

单晶镍基高温合金在600～760℃下的低循环疲劳行为

研究[001]晶体取向的第二代单晶镍基高温合金DD6中温段下的低循环疲劳行为,实验温度为600℃,650℃,700℃和760℃,应变比为–1。结果表明:在此温度范围内,合金呈现循环硬化特性;随着温度的升高,[001]晶体取向DD6合金的弹性模量有所降低,合金的应变-寿命关系与温度相关。采用考虑温度影响修正的循环损伤累积(CDA)模型对[001]晶体取向DD6合金在中温段下的低循环疲劳寿命进行统一预测,预测寿命值位于实验结果的±3倍分散带以内。     

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。     

晶体取向对第四代单晶高温合金DD15高周疲劳性能的影响

在定向炉中分别采用籽晶法制备了[001]、[011]和[111]3种不同取向的第四代单晶高温合金DD15,在800℃研究了不同取向的高周疲劳性能,分析了合金不同取向的显微组织、疲劳断口形貌和疲劳断裂组织。结果表明:在凝固方向横截面上不同取向合金的铸态枝晶和热处理γ′相组织明显不同。合金800℃的高周疲劳性能存在各向异性,疲劳极限按[111]、[001]、[011]取向的顺序降低。不同取向合金的高周疲劳都是沿平面断裂,断裂平面与试样中心应力轴线的角度不同,角度按[011]、[001]、[111]取向的顺序逐渐减小。不同取向高周疲劳断口特征基本相同,可见疲劳源区、疲劳扩展区和瞬断区。疲劳裂纹起源于试样表面或亚表面并沿{111}平面扩展。扩展区上可见河流状花样和疲劳条带。瞬断区可见撕裂棱和解理台阶特征,其断裂机制都为类解理断裂。由于试验温度较低,不同取向疲劳断裂后的γ′相仍保持立方形状。     

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。     

单晶硅超精密切削表面质量各向异性的研究

分析了单晶硅超精密切削时被加工晶面和滑移面间的相对关系以及单晶硅的力学特性,基于单晶硅超精密切削加工脆塑转变机理,模拟了分别以单晶硅(111)(、110)(、100)晶面为被加工面时的表面质量的各向异性特性。模拟结果表明这些晶面在不同晶向方向上表面质量呈现明显的各向异性特性,而以单晶硅(111)晶面作为被加工面时可以得到最好的加工表面质量。