基于临界平面法的镍基单晶高温合金高周疲劳寿命模型

由于目前,国外已经基于八面体滑移系,采用临界平面法对镍基单晶高温合金〈001〉取向的高周疲劳寿命进行预测.然而,该方法未考虑〈111〉取向受载时滑移系参量的特点,所以不能较准确地预测镍基单晶高温合金〈111〉取向的高周疲劳寿命.为此,选取临界平面时综合考虑六面体、八面体滑移系,选定疲劳参量最大的滑移面作为临界平面,采用SSR(shear stress range)，CCB(Chu-Conle-Bonnen)，Walls寿命模型进行镍基单晶高温合金高周疲劳寿命预测,并根据800℃下DD6镍基单晶高温合金〈001〉,〈011〉,〈111〉3个取向的高周疲劳试验结果,对寿命模型的预测精度进行验证.结果表明:当基于两种滑移系预测镍基单晶高温合金的高周疲劳寿命时,寿命模型的拟合系数可达到0.9134.      

小孔对DD6单晶热机械疲劳的影响

通过开展同相（IP）和反相（OP）循环下DD6单晶带孔试样与光滑试样的机械应变控制热机械疲劳（TMF）试验,研究孔边应力集中与温度-应变相位角对裂纹萌生寿命的影响。结果表明:带孔试样裂纹萌生于孔边最大主应力位置,其寿命比相同名义载荷的光滑试样低约一个数量级;带孔试样的OP寿命均短于IP,这与光滑试样寿命趋势一致。结合基于滑移系的黏塑性数值模拟,获取不同试验条件下的单晶应力应变分布特征及其演化规律,并构建单晶TMF损伤与宏细观参量的关联。在此基础上,建立一种能够综合考虑应力集中与相位角影响的单晶TMF寿命模型,对光滑试样与带孔试样IP、OP TMF寿命预测结果基本落在试验寿命的2倍分散带内。      

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.      

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。     

镍基单晶高温合金DD6热机械疲劳试验

针对单晶气冷涡轮叶片的服役载荷特征,以镍基单晶高温合金DD6为对象,设计开展了薄壁圆管试样热机械疲劳(TMF)试验。结果表明:DD6变形响应呈现出明显的TMF棘轮效应,且与相位角、机械载荷水平等密切相关;在相同载荷条件下,同相(IP)TMF寿命总是明显短于反相(OP)。引入高温保载时间或增大机械载荷均会引起棘轮应变的明显增加,缩短结构寿命。结合断口和纵向切片分析,识别了不同载荷条件下影响单晶寿命的关键损伤因素,其中IP TMF主导损伤机理为蠕变和疲劳,而OP TMF主导损伤机理为氧化和疲劳。      

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.     

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。     

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.      

含孔薄板孔边疲劳裂纹的萌生和扩展

 测试了 Ni基高温合金 GH41 69含孔薄板试件不同应力幅下的低周疲劳寿命,给出了孔边最大应力幅相同时,应力集中因子改变对试件疲劳寿命的影响。结合断口 SEM分析,探讨了应力集中条件下,疲劳短裂纹的萌生和扩展方式。试验结果表明,疲劳裂纹以滑移方式在孔壁与试样表面相交的棱上萌生;萌生期依赖于孔边应力幅的大小,与孔径无关。但疲劳裂纹扩展速率与孔边局部区域的应力分布有关。在孔边应力幅相同的情况下,孔边应力集中因子较大的试样裂纹扩展速率大,疲劳寿命分布带略低于孔边应力集中因子较小的试样。短裂纹阶段,疲劳裂纹以角裂纹的形式向内扩展;长裂纹阶段,疲劳裂纹以穿透裂纹的形式进行扩展。稳定扩展阶段疲劳裂纹以穿晶的韧性撕裂方式发展,但在靠近失稳扩展区域疲劳裂纹呈准解理断裂方式扩展。试验未观察到疲劳短裂纹群的连接与合并现象。     

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。     

单晶涡轮叶片热机械疲劳试验技术

针对单晶空心气冷涡轮转子叶片的热机械疲劳(TMF)试验要求,建立了涡轮叶片热机械疲劳试验系统,包括加载、加热、气冷、水冷和控制等5个子系统.试验结果表明:该系统能够同时模拟服役条件下单晶涡轮叶片考核截面的应力场、温度场、气冷过程以及应力/温度谱等.利用该试验系统进行了单晶涡轮叶片考核截面的热机械疲劳试验,试验结果再现了涡轮叶片在服役状态下的失效模式.基于上述试验结果可以进行涡轮叶片的寿命预测和失效分析.      

In-phase thermal-mechanical fatigue investigation on hollow single crystal turbine blades

Thermal-mechanical fatigue（TMF）is the primary cause of failure of nickel-based single crystal turbine blades.TMF experiments have been performed on the critical section which is subjected to the most serious damage and determined by numerical calculation combined with service failure experience.An experimental system including the loading,heating,air cooling,water cooling,and control subsystems,is constructed to satisfy the TMF experimental requirements.This experimental system can simulate the stress feld,temperature feld,air cooling process,and TMF spectrum on the critical section under service conditions in a laboratory environment.A metal loading device and a new induction coil are developed to achieve the required stress and temperature distributions on the critical section,respectively.TMF experimental results have indicated that cracks initiated at the trailing edge of the suction surface on the critical section.Based on these experiments,life prediction and failure analysis of hollow single crystal turbine blades can be investigated.     

轴对称构件疲劳寿命预测的损伤力学-附加载荷-有限元法

 提出了一种实用有效的弹塑性损伤应力 -应变本构方程与损伤演化方程。针对中高周疲劳问题,发展了轴对称疲劳寿命预测的损伤力学 -附加载荷 -有限元法计算格式。通过引入塑性附加载荷,考虑了构件应力集中区域塑性变形对构件疲劳寿命的影响。预估了30 Cr Mn Si Ni2A材料含沟槽轴对称试件的疲劳裂纹形成寿命,并分析了疲劳裂纹的扩展情况。疲劳寿命理论预测结果与实验结果吻合良好。     

粉末高温合金FGH96的高温缺口疲劳研究

在500℃和600℃两个温度条件下,研究了第二代粉末高温合金FGH96的缺口疲劳性能,将原始数据的曲线拟合成S-N曲线,分析光滑与缺口试样的Kf的差别,用扫描电镜分析了试样的断口形貌特征。结果表明:FGH96合金的疲劳缺口敏感性随着温度的升高和应力比的增大而降低;与光滑试样的断口相比,合金的缺口试样在高温下疲劳裂纹多由加工刀痕起源,因此缩短了其疲劳萌生寿命;疲劳扩展区疲劳条带比较明显,扩展区面积比光滑试样小。     

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.      

孔挤压对于高温合金GH4169孔结构高温疲劳性能的影响

根据高压压气机盘螺栓孔结构，设计中心孔板材疲劳试样.表征了孔挤压强化后的表面轮廓，分析了在多种交变载荷条件下孔挤压前后试样的疲劳寿命，并进行了断口观察和疲劳过程中孔挤压残余应力的演化分析.结果表明:孔挤压强化减小了孔壁表面粗糙度，并使孔结构在多种高温大应力条件下（825MPa/600℃、825MPa/400℃和663MPa/600℃）的高温疲劳性能提高1～3倍，但疲劳数据分散度略有增大.孔挤压残余应力在最大拉应力为663MPa，温度为600℃，应力比为01条件下20000次疲劳试验中松弛到60%.原始试样的多源疲劳断口主要起源于孔边的加工刀痕，而挤压强化试样断口起源于孔挤压在倒角区域流动金属堆积处，为单源疲劳断口.