DD6镍基单晶合金气膜孔薄壁平板高温蠕变性能

采用气膜孔薄壁平板试样模拟冷却叶片,并与无气膜孔薄壁平板试样蠕变试验结果进行对比,研究了气膜孔对镍基单晶合金冷却叶片模拟试样高温持久断裂寿命的影响.试验结果表明:在950℃和377MPa条件下,无气膜孔薄壁平板试样的高温持久断裂寿命大约是气膜孔薄壁平板试样的2倍,扫描电镜(SEM)断口分析可以看出蠕变损伤首先发源于气膜孔周围并在气膜孔边缘开始起裂.基于晶体塑性理论建立单晶材料蠕变数值计算模型,将其编入Abaqus用户子程序中,对气膜孔和无气膜孔两种薄壁平板试样进行模拟分析.模拟结果显示在气膜孔周边存在应力集中和应力重分布,数值模拟分析结果与试样的断口表面形貌吻合.为便于工程应用,将高温持久断裂寿命与十二面体滑移系最大分切应力幅表达成指数关系,蠕变试验结果表明此式在该应力、温度条件下具有良好的精度.     

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。     

DD6单晶冷却涡轮叶片模拟试样蠕变寿命研究

研究了DD6单晶冷却涡轮叶片模拟试样中气膜孔对蠕变寿命的影响。分别对带气膜孔和不带气膜孔的薄壁圆管试样进行了蠕变测试,带气膜孔试样作为冷却叶片模拟件,不带气膜孔试样与之比较。900％与1000％的蠕变试验结果表明：在相同应力条件下,壁厚为2．0mm试样的蠕变寿命要比壁厚为1．5mm试样的长,带气膜孔试样的蠕变寿命要比不...     

高温下DD6单晶气冷叶片模拟试样拉伸性能试验

通过选晶法制备DD6单晶薄壁圆管模拟试样,对850℃和980℃两种温度下[001]晶体取向含与不含气膜孔的薄壁试管进行拉伸性能试验研究.结果表明:在850℃条件下,[001]取向含气膜孔的拉伸性能比[001]取向不含气膜孔的拉伸性能降低10.5%;在980℃条件下,[001]取向含气膜孔的拉伸性能与[001]取向不含气膜孔的拉伸性能水平相当,这表明温度越高,气膜孔对薄壁件拉伸性能的影响越不显著;但在980℃ 条件下,[001]取向通气状态的拉伸强度比不通气状态下的拉伸强度提高16%.同时,发现圆管表面状态及通气状态是影响单晶薄壁试样高温性能的重要因素,特别是通气状态的存在显著提高了其高温力学性能.      

GH536带孔平板试样蠕变分析

采用有限元方法对GH536带孔平板试样的蠕变响应进行了数值模拟,以圆孔半径为尺寸参数,研究了不同圆孔半径试样的蠕变应力、蠕变应变分布及其随时间的变化。计算结果表明:圆孔半径对应力分布影响显著,圆孔半径越小,最大等效应力越大,最大等效应力随时间的松弛越明显,蠕变引起的应力重新分布越明显;对含局部应力集中部位结构进行持久强度储备和寿命分析时,必须考虑局部应力分布特性的影响。     

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。      

GH4169合金晶粒尺寸与持久性能的关联性

以GH4169合金大规格棒材为研究对象,结合棒材的加工过程,利用OM、FE-SEM、EBSD和TEM等手段分析了该合金不同晶粒尺寸试样的持久性能。结果表明:在长时高温应力作用下,不同晶粒尺寸试样呈现不同的持久性能和不同的晶粒取向演变规律。发生变形至断裂的位置,晶粒尺寸较小时,部分〈101〉取向明显转向〈001〉或〈111〉取向,加上宏观变形协调性较好,促使应力集中得到有效释放,表现出较好的塑性;但细晶试样中更多晶界带来的扩散蠕变对高温强度不利,裂纹也容易在与〈111〉硬取向晶粒接邻的晶界处形核并扩展,降低持久寿命;此外,细晶试样的变形程度较大,应变主要集中于晶界处,且大角度取向差的含量较多,这些位置容易萌生裂纹而使寿命降低。     

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.      

非对称循环载荷下镍基单晶合金低周疲劳寿命预测

在680℃温度下进行[001]、[011]和[111]三种取向的DD3单晶合金光滑试样非对称循环载荷低周疲劳试验,结果表明,晶体取向对DD3单晶合金的应变疲劳寿命有显著的影响,[001]取向寿命最长,[111]取向寿命最短.用晶体取向函数修正总应变范围可以在很大程度上消除晶体取向对疲劳寿命的影响.引人参量k表示载荷循环特性对疲劳寿命的影响,它与循环寿命之间呈幂函数关系.根据影响单晶叶片低周疲劳寿命的主要因素,提出循环塑性应变能的计算方法,构成塑性应变能的主要因素应包括总应变范围、取向函数和载荷循环特性等影响参量,它们与塑性应变能之间呈幂函数关系.用塑性应变能作为损伤参量导出单晶合金低周疲劳寿命预测模型,利用低周疲劳试验数据进行多元线性回归分析,所有试验数据均落在2.6倍偏差的分布带内.     

基于大变形蠕变分析的持久寿命预测方法

提出一种基于真应力真应变弹塑性蠕变本构模型和大变形有限元分析的高温构件持久寿命预测方法.该方法利用以真应力-真应变表示的材料高温拉伸应力-应变曲线建立材料的弹塑性模型,基于蠕变曲线建立蠕变本构模型,并采用大变形有限元方法计算高温构件在给定载荷下的变形响应曲线,根据其响应曲线的变化趋势来确定构件持久寿命.通过TC11钛合金缺口试件500℃下的持久试验对上述方法进行验证,并与三种基于小变形分析的持久寿命预测方法进行对比.结果表明:本工作提出的方法可以较准确地预测TC11缺口试件的高温蠕变响应和持久寿命,其预测精度优于基于关键点断裂应变、缺口净截面平均有效应力以及骨点应力的小变形有限元分析的寿命预测方法.     

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。      

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.      

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。     

模拟镍基单晶合金复杂应力状态试样型式分析设计

计算分析指出对于以滑移为基本变形机理的镍基单晶合金，受拉扭外载的薄壁圆筒试样其滑移分切应力沿周向不再均匀分布，平板剪切试样其受剪面处于正应力和剪应力共用作用，都不适宜作为复杂应力状态试样。带缺口双剪试样适合于模拟复杂应力状态，但缺口的大小和形状影响受剪面的应力分布。本文在数值计算的基础上，给出了最适宜的试样尺寸及变形量的计算公式；针对国产DD3单晶，进行了初步的试验。     

气膜孔倾角角度对单晶高温合金疲劳性能的影响(“两机”专刊)

为了研究气膜孔倾角角度对单晶高温合金疲劳性能的影响,设计倾角30°,45°,90°的14孔平板试样进行了同等应力水平下的高温疲劳试验,并对断裂后失效试件进行断口分析。基于晶体塑性理论,对不同倾角气膜孔平板件进行数值计算,分析孔边局部应力及损伤演化。结果表明,气膜孔倾角角度对疲劳性能影响显著,疲劳寿命90°>30°>45°,且45°倾角气膜孔孔边裂纹数明显多于其他两种。数值模拟显示,90°孔每个循环累积的应变相对较小,30°斜孔次之,45°斜孔最大,且 45°斜孔和 30°斜孔的棘轮应变累积速率明显高于直孔,30°斜孔的损伤和直孔的损伤较为接近,45°斜孔的损伤最大,数值分析与实验结果相一致。     

A physically-based representative stress methodology for predicting stress rupture life of Ni-based DS superalloy

Smooth and three types of U-shape single-edge notched plate specimens adopted to experimentally investigate stress rupture behavior of Ni-based Directionally Solidified (DS) superalloy at 850 °C exhibit notch weakening effect and multi-source cracking initiation near the notch root. However, stress rupture behavior of smooth and V-shape notched round bars at 1040 °C revealed by Li et al indicates notch strengthening effect and creep micro-holes originating mostly from the central portion. A combined creep-viscoplastic constitutive model is employed to analyze the distribution of stress, strain and stress Triaxial Factor (TF) near the notch root. The different stress distribution and creep restraint between asymmetric notched plate specimens and symmetric notched round bars are the main reasons for the corresponding failure mechanism. Meanwhile, a good qualitative relationship exists between TF value and stress rupture life of notched specimen. Especially, the area with maximum TF value (TF_max) is highly consistent with creep damage initiation region. Hence, based on the distribution characteristics of the initial tensile loading, a representative stress method independent of time -changing creep load at the location of TF_max is conducted for life prediction. The predicted results of both smooth and notched plate specimens and round bars agrees well with the experimental results.     

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%.