定向凝固合金叶片裂纹与断裂综合分析

对定向凝固合金叶片的裂纹与断裂进行了综合分析,对其失效模式与失效原因进行了研究.研究结果表明,定向凝固合金叶片的裂纹与断裂为同一失效模式,均为叶片表面的再结晶而导致的疲劳失效.叶片表面的再结晶在叶片使用之前就已存在,是由于固溶热处理前叶片的表面存在塑性变形,在固溶热处理过程中形成的.     

定向凝固和单晶高温合金再结晶影响因素

定向凝固和单晶高温合金具有优异的高温力学性能,是制造先进航空发动机涡轮叶片的主要材料。定向凝固和单晶高温合金的优异性能主要来源于消除了与应力轴垂直的晶界,而再结晶的出现会显著降低合金的高温力学性能。本文基于近年来国内外对于定向凝固和单晶高温合金再结晶行为的研究,系统分析和总结了定向凝固和单晶高温合金再结晶的主要影响因素,包括热处理温度、热处理时间、第二相粒子、变形温度、高温氧化、以及表面处理工艺等因素对再结晶的影响。     

DD6单晶涡轮叶片缘板裂纹与再结晶研究

针对DD6单晶涡轮叶片在试车后缘板出现裂纹的现象,通过裂纹外观检查、断口形貌观察、显微组织及化学成分分析等工作,开展基于裂纹特征的缘板失效模式研究.研究结果表明:DD6单晶涡轮叶片缘板裂纹是由表面再结晶导致的疲劳开裂,其形成与存在富钨白色析出相的枝晶界面有直接关系;在试验条件下裂纹沿富钨(W)的白色颗粒链扩展,并沿界面延伸,导致疲劳失效.同时,发现缘板表面再结晶在叶片使用之前已存在,是缘板凝固区域因过大铸造热应力而形成碳化物,进而在热处理过程形成晶界富钨白色析出相的再结晶晶粒.      

一种定向凝固合金的再结晶研究

定向凝固合金由于消除了垂直于应力轴的横向晶界,具有很高的热疲劳强度、塑性以及良好的振动阻尼效果,是航空发动机涡轮叶片的主要用材。随着定向凝固合金在航空领域的大量应用,其构件的失效已在所难免。如我国自行研制的某定向凝固合金,已广泛应用于制造航空发动机涡轮叶片,近年来连续出现了多起性质基本相同的叶片叶身裂纹与断裂故障。已有的研究结果表     

DD6 合金涡轮叶片裂纹失效分析

为了确定DD6 合金涡轮叶片在工作过程中叶身排气窗处产生的裂纹的性质和产生原因,对裂纹叶片进行了外观检查、 断口分析、成分分析和组织分析。结果表明：DD6 合金涡轮叶片裂纹是叶片排气窗间隔墙内腔转接部位再结晶引起的疲劳开裂,再 结晶晶粒产生于叶片生产过程中固溶处理之后;叶片其他排气窗间隔墙内腔表面存在小裂纹,是在叶片生产过程的再结晶检测工 序中腐蚀液流进内腔侵蚀再结晶晶粒边界所致;并通过模拟试验再现了再结晶晶粒和小裂纹的产生。提出了增加叶片内腔再结晶 检测控制、改进叶片排气窗结构或铸造工艺的建议。     

定向凝固高温合金DZ4的动态再结晶行为研究

研究了定向凝固DZ4合金在高温静拉伸应力作用下的动态再结晶行为,重点研究了温度、应力及表面氧化等因素对DZ4合金动态再结晶行为的影响.结果表明,在一定大小的应力作用下,不带涂层的DZ4合金试样表面在800～950℃范围内会发生动态再结晶,且再结晶层厚度随着温度和应力的增高而增大;动态再结晶层均位于表面氧化层内.分析表明,表面氧化是DZ4合金发生表面动态再结晶的主要原因.试验结果同时表明,表面采用Al-Si渗层保护的定向凝固DZ4合金叶片在正常服役条件下不会发生再结晶.     

表面再结晶层对DZA定向凝固合金低周疲劳性能影响

针对DZ4定向凝固合金表面再结晶层对材料性能的影响进行了低周疲劳实验研究,并通过岛津SEM伺服疲劳试验机进行表面裂纹实时观察跟踪.研究结果表明,表面再结晶层的存在对材料性能明显产生负面作用,低周疲劳寿命大大降低.不同喷丸强度试件在相同的高温退火条件下形成的再结晶具有不同的再结晶形态,高喷丸强度再结晶更加完全,晶界清晰平直,晶粒有长大的趋势.表层再结晶形态也对疲劳寿命的降低程度以及疲劳微裂纹萌生寿命和裂纹密度有较大的影响.较高喷丸强度形成的再结晶层的试件疲劳寿命降低较少,表面微裂纹萌生较晚,裂纹密度也很低.低喷丸强度试件表面微裂纹大量萌生,密度非常高.再结晶层的晶界开裂是导致表面微裂纹大量萌生的根源,从而导致疲劳寿命大幅度降低.     

定向凝固涡轮叶片合金DZ-22的研究

 定向凝固高温合金DZ-22具有较高的中、高温性能,与定向合金PWA1422相当,可用作航空发动机的涡轮叶片材料。它是以PWA1422合金的成分为基础,通过试验对其中铪、碳的含量作了调整。在定向凝固过程中铸型移动速度对零件柱晶的结晶取向有较大的影响。提高固溶处理温度,可明显提高合金的高温持久寿命,但延伸率稍有降低。在固溶处理前进行一次1150℃的预处理,可提高合金的初熔温度。     

定向凝固镍基高温合金上激光熔覆Inconel 738的裂纹敏感性研究

针对定向凝固镍基高温合金叶片的强化与修复需求,研究了在定向凝固镍基高温合金基体上激光熔覆Inconel 738的裂纹敏感性问题.在定向凝固镍基高温合金基体上激光熔覆Inconel 738合金对裂纹非常敏感,所产生的裂纹为热裂纹,由定向凝固基体晶界处引发并穿过界面向熔覆层发展;多层熔覆过程中熔覆层间也会产生热裂纹,热裂纹沿晶界纵向扩展.定向凝固高温合金基体晶界处的低熔共晶成为主要的裂纹源.严格控制激光熔覆过程中的热输入量可以显著降低裂纹敏感性.选择适当的熔覆工艺方法和参数可以在定向凝固镍基合金基体上形成良好冶金结合且无裂纹的基本保持定向凝固特性的熔覆层组织.     

表面再结晶对定向凝固高温合金高周疲劳行为的影响

采用悬臂旋转弯曲试验,研究定向凝固DZ4合金在喷丸预变形及热处理后产生的再结晶层对高周疲劳寿命的影响.结果表明,DZ4合金经过一定程度的预变形,在随后的高温热处理后表面会产生一定厚度的再结晶;再结晶层对DZ4合金高周疲劳寿命有一定影响;在一定喷丸强度范围内,随喷丸强度增加,疲劳寿命先减小后增大.     

SiC/SiC复合材料涡轮叶片结构设计及静强度评价

以高温合金低压涡轮叶片为原型，研究了采用SiC/SiC复合材料进行该型涡轮叶片结构设计的可行性。完成了SiC/SiC叶片的宏观设计、榫头设计和细节设计。计算分析了金属和复合材料涡轮叶片的变形和应力特点。对按设计制备的SiC/SiC叶片开展了拉伸强度测试，并在试验中监测了叶片的应变。计算结果表明：SiC/SiC叶片在额定状态下的伸长量低于原金属叶片；叶身叶根与缘板过渡处应力水平最高，但低于SiC/SiC复合材料的拉伸强度；榫头榫颈处有发生局部剪切破坏的风险。试验结果表明：该SiC/SiC叶片的断裂明显呈现出拉伸失效模式，以断裂转速计算的静强度储备系数约为1.3；所采用的SiC/SiC叶片结构设计方法可行，所制备的复合材料叶片也顺利通过了实验室条件下的静强度考核。     

DD6 单晶合金涡轮叶片排气窗裂纹分析

针对DD6单晶合金涡轮叶片在试车一定时数后发生的排气窗裂纹故障,通过裂纹特征观察、断口形貌对比、金相组织检查、化学成分分析和微裂纹模拟试验等方法,进行裂纹性质及产生机理的研究。结果表明:叶片排气窗裂纹性质为疲劳裂纹,起源于间隔墙转接部位再结晶晶界处的微裂纹;试车时振动应力的作用使微裂纹扩展;间隔墙部位的再结晶晶粒在试车前已经存在,与过大的铸造残余应力有关,再结晶检验时腐蚀液侵蚀再结晶晶界形成微裂纹;在叶片铸造时,型芯强度对间隔墙再结晶有明显影响,型芯的强度越高,产生再结晶的几率越大。     

某空心风扇叶尖进气道封焊疲劳失效研究

针对某空心风扇叶片叶尖在高循环疲劳试验中异常失效的现象,应力分布测试和振动仿真分析表明应力集中部位与失效位置不符,断口分析结果表明裂纹萌生于叶尖的通气孔封焊部位,磨除进气道封焊层的叶片试验验证表明失效源于叶尖进气道焊接缺陷。基于失效机理分析及验证,确定失效源于加工环节焊接工艺选择不当且焊接控制不良,因此制定了更换封焊工艺为电子束焊和CT检测环节的改进措施。     

复合材料桨叶结构损伤演化模型

与金属材料桨叶相比,复合材料桨叶因具有更加优良的抗疲劳性能而被广泛应用到直升机旋翼上。但由于复合材料破坏机理复杂,疲劳性能分散,影响因素众多,导致复合材料桨叶疲劳现象尚处于研究探索之中,在复合材料的微观失效机制与宏观结构的力学性能之间仍然缺少一座桥。鉴于此,文章利用典型复合材料试样的拉伸疲劳实验数据,建立了基体裂纹、纤维断裂和界面脱胶等损伤变量累积模型,从断裂能的角度出发构建了基体裂纹密度、纤维断裂面积与复合材料属性之间的函数关系,分析了基体裂纹密度、纤维断裂面积等损伤变量对复合材料工程性能参数的影响。利用复合材料宏观力学理论,研究了各物理损伤变量对桨叶刚度特性的影响,采用连续损伤变量的状态方程建立了复合材料桨叶的损伤演化模型,这种以有理多项式为状态转移函数微分模型能很好地体现复合材料桨叶在疲劳初期和疲劳末期刚度快速损伤的现象。     

涡轮叶片热障涂层在CMAS 环境下的失效分析

对于多台份某型发动机在试车后出现的带热障涂层涡轮叶片表面附着较多环境沉积物CMAS进而导致热障涂层脱落 失效的故障,通过宏观形貌观察、化学成分分析、微观结构分析等方法对CMAS分布规律、成分特征和失效模式进行了分析。结果 表明：CMAS沉积物在叶盆面较厚、叶背面较薄,靠近缘板处较厚、叶身中部位置较薄,进气边较厚、排气边较薄;厚度较薄处的附 着物颗粒细小、分布均匀,较厚处的附着物结构较疏松,大多呈块状不均匀分布;涡轮叶片热障涂层表面沉积物及气膜孔堵塞物的 成分以CMAS为主,同时还有中低温部件碰摩磨屑生成的Fe2O3、TiO2和NiO;由CMAS腐蚀引发的热障涂层失效模式主要有气膜孔 堵塞引发周围涂层烧结失效、涂层表面和内部应力失配、陶瓷层柱状晶被冲击撞断以及8YSZ热障涂层被溶解。     

单晶叶片基体表面微裂纹成因分析

单晶高温合金是制造先进航空发动机涡轮叶片的主要材料，其优异性能主要来源于消除了与主应力轴垂直的晶界，而 单晶材料中如果出现再结晶会显著降低其高温力学性能。为探究发动机单晶涡轮导向叶片试验后在叶身前缘下缘板R区产生裂 纹的原因，利用视频显微镜、金相显微镜和扫描电镜等手段对裂纹截面组织进行宏、微观分析，明确了R区的宏观裂纹为抗氧化涂 层裂纹，宏观裂纹附近的叶片基体存在由于叶片表面胞状再结晶晶界开裂所引起的微裂纹。结果表明：单晶叶片表面产生胞状再 结晶主要与叶片抛光、吹砂等修整过程中引入的塑性变形及后续的钎焊工艺有关；抗氧化涂层的开裂促进了胞状晶晶界的开裂； 通过对导向叶片的多个截面组织进行对比分析，发现高温能够加速胞状再结晶的晶界开裂。     

基于显微组织演变的涡轮叶片损伤分析

涡轮叶片作为航空发动机和燃气轮机重要的热端部件,在复杂温度场、应力场及氧化腐蚀等环境下工作,面临多种损伤失效风险。为了阐明涡轮叶片涂层损伤模式,总结了现阶段涡轮叶片涂层工艺、特点及其显微组织构成。在结合叶片材料热力耦合试验中相的演变规律研究成果基础上,对服役不同时间和类型的涡轮叶片基体和涂层系统的显微组织进行分析,并与原始组织对比;确定了各种服役组织损伤形式,主要包括涂层系统退化、原始缺陷导致的裂纹扩展、过热损伤及γ′相的退化等;初步给出了涡轮叶片损伤机理和服役环境评估,提出后期涡轮叶片工程化应开展的研究工作和注意事项,从而实现由服役叶片失效后分析向使用前预防的转变,完善涡轮叶片正向设计体系。     

某型发动机二级压气机叶片断裂故障分析研究

某型发动机二级压气机叶片属于事故多发性零部件。最近又发生了叶身断裂故障,该故障是一种新型故障,与二扭共振引起的叶尖掉角故障不同:疲劳源位于叶盆中上部,靠近叶尖断裂飞出,断裂飞出部分约为叶片的1/3,故障件断口部分呈“S”型。本文从叶片断口金相、扫描电镜分析、振动特性计算分析、叶片静频和振型测量、疲劳破坏试验、第10阶相对振动应力测量和叶片疲劳寿命评估等研究工作,分析得出造成叶片疲劳破坏的故障机理是叶片第10阶振型在发动机0.8额定转速发生共振和叶盆表面损伤。