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。     

数值模拟技术在航空发动机高温合金单晶叶片制造中的应用

定向凝固单晶叶片铸件生产工艺复杂、控制要求高,因而通过试验研究高温合金单晶叶片的成本较高,且研发周期长.随着现代计算机软硬件技术的发展,数值模拟技术发展迅速,在工业领域得到了广泛的应用.通过数值方法可模拟航空发动机涡轮叶片的定向凝固过程、预测最终的微观组织和缺陷情况,能够优化定向凝固生产工艺,提高叶片质量,降低研发成本,缩短研发时间.     

镍基高温合金叶片定向凝固过程宏微观数值模拟研究进展

随着航空工业的发展,对发动机特别是涡轮叶片的性能要求也越来越苛刻。目前涡轮叶片的组织主要为柱状晶或单晶,采 用定向凝固技术制造。由于合金元素种类繁多、叶片形状和内腔复杂,在制造过程中叶片容易产生各种铸造缺陷,如杂晶、大/小角晶 界、雀斑等,导致叶片合格率低、研发周期长、制造成本高。数值模拟技术作为一种低能耗、高效率、短周期的研究方法,能有效预测缺 陷产生,优化涡轮叶片定向凝固工艺,提高成品率。介绍了高温合金涡轮叶片定向凝固模拟的物理数学模型,总结了国内外航发叶片 成形过程中数值模拟技术的研究进展,并对其发展方向进行了展望。     

恢复性能热处理在航空部件修复中的应用

<正>航空发动机热端部件如涡轮叶片、涡轮转盘、整体铸造扩散机匣等长期服役后,虽然外观良好,但性能下降。采用恢复性能热处理技术,调整到寿部件中的析出相,全部或部分地恢复材料组织和力学性能,可延长到寿部件的使用年限。航空发动机涡轮工作叶片、导向叶片、扩压器、燃烧室机匣、涡轮盘等热端部件,多为镍基、钴基高温合金。在高温下长期工作,这些合金中的相会发生变化,强化相会聚集长大,有害相会沉淀析出,在高温和应力作用下甚至会出现微缺陷,导致材料的高温拉伸性能、持久性能下降。当性能下降过多时,构件存在失效     

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.      

涡轮叶片合金筏化量化表征及寿命退化研究

针对单晶/定向凝固涡轮叶片服役过程中微观组织筏化及其造成的叶片力学性能劣化问题,发展了一种基于旋转割线方法的微结构筏化参数提取方法,并提出筏化状态的量化表征因子。对不同组织筏化和粗化状态的定向凝固高温合金开展高温低周疲劳试验,建立了量化筏化状态和合金疲劳寿命退化的映射关系。结果表明:无论是粗化还是筏化都会造成合金疲劳寿命的大幅劣化,所建立的镍基高温合金筏化量化因子能够有效地表征合金疲劳寿命的衰减。     

某镍基单晶高温合金塑性变形与失效分析

为有效预测某镍基单晶高温合金在复杂应力状态下的塑性变形响应,采用光滑平板拉伸试验获取[001]向拉伸性能,根据缺口平板试件试验数据反衍优化获得其他取向的性能参数,基于广义Hill准则,构建了针对该材料的各向异性弹塑性本构模型,并使用该模型开展镍基单晶高温合金在复杂应力状态下的塑性变形行为的大变形有限元预测,结合Freudenthal失效准则对名义极限强度进行预测,与试验结果进行对比分析。结果表明:反衍优化建立的各向异性本构模型能够较为准确地描述该镍基单晶高温合金在复杂应力状态下的拉伸响应行为,且能较为准确地预测出几种试件的名义极限强度,误差小于6%。对工程中单晶涡轮叶片塑性失效分析有一定指导意义。     

一种单晶涡轮叶片热机械疲劳寿命评估方法

针对单晶涡轮叶片热机械疲劳(TMF)问题,围绕单晶涡轮叶片TMF试验,结合单晶变形、损伤理论及数值模拟,建立了一套单晶涡轮叶片TMF寿命评估方法.利用空心气冷涡轮叶片TMF试验系统,对单晶涡轮片考核截面在服役条件下所产生的交变应力场和交变温度场进行模拟,确定了裂纹萌生部位及其TMF寿命.考虑单晶涡轮叶片变形和损伤行为的特征,分别建立了基于滑移系的Walker黏塑性本构模型和基于临界平面的循环损伤累积(CDA)模型.利用上述本构和寿命模型,完成了单晶涡轮叶片TMF试验的数值模拟.结果表明:叶片理论危险点与试验结果一致,且计算寿命基本落在试验寿命的3倍分散带内.      

镍基单晶高温合金DD6气膜孔热机械疲劳试验

涡轮冷却叶片气膜孔边存在大应力梯度，且服役时承受交变的机械载荷和热载荷，热机械疲劳（TMF）是其主要失效模式。通过开展带气膜孔和不带气膜孔的薄壁圆管试件TMF试验研究了气膜孔对镍基单晶高温合金TMF寿命的影响。结果表明最大循环应力在300~500 MPa应力范围内，循环应力幅值与镍基单晶高温合金TMF寿命呈现良好的对数线性关系，且气膜孔导致镍基单晶高温合金TMF寿命下降可达82.5%。继而完成了横向取向分别为〈010〉、〈110〉方向的气膜孔模拟件试验，结果表明气膜孔取向为〈110〉时寿命最短，仅为〈010〉取向的40.0%。最后开展了不同制孔工艺下的气膜孔模拟件试验，结果表明激光制孔气膜孔模拟试件寿命仅为电液束制孔气膜孔模拟试件的54.0%。气膜孔模拟件断口分析表明:TMF裂纹均萌生于气膜孔边，源区氧化严重；裂纹沿着大致与气膜孔边垂直的方向扩展。      

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.