各向异性单晶叶片强度寿命研究—第I部分:晶体滑移本构模型及应用

单晶叶片技术是提高航空发动机及地面燃气轮机性能、寿命及可靠性的关键技术之一，但单晶材料机械、力学性能的各向异性特性制约了其发展和应用，对其工程应用及应用的理论基础提出了挑战。课题组开展了各向异性单晶叶片强度分析和寿命预测方面的一些研究工作。包括：建立并验证了弹塑性、蠕变滑移本构模型及蠕变持久寿命预测方法；进行了不同晶体取向DD3单晶在不同温度、不同速率或不同温度、不同应力水平下的拉伸试验及蠕变试验，这些实验数据及由其反映的单晶中、高温各向异性特性对单晶材料的应用具有重要意义。此外还进行了某种单晶叶片的实验研究。作为上述研究的应用，对某发动机单晶涡轮叶片进行了强度分析和寿命预测。本文这一部分介绍本构模型及应用，实验研究将在第II部分介绍。     

单晶涡轮叶片材料本构模型及应用研究

综述了各向异性单晶叶片强度分析和寿命预测方面的一些研究工程，这些工作包括；建立并验证了弹塑性，蠕变滑移本构模型及蠕变持久寿命预测方法，进行了不同晶体取向DD3单晶在不同温度，不同速率或不同温度，不同应力水平下的拉伸试验。蠕变，疲劳及热疲劳试验。开发了大型单晶结构有限元分析软件SLAPSC和ABAQUS的umat；用双剪切试样和模拟叶片等系列试验对模型和有限元进行考核。并应用上述试验研究的结果，对某发动机单晶涡轮叶片进行了强度分析和寿命预测。     

单晶涡轮叶片材料本构模型及应用研究

综述了各向异性单晶叶片强度分析和寿命预测方面的一些研究工作。这些工作包括:建立并验证了弹塑性、蠕变滑移本构模型及蠕变持久寿命预测方法;进行了不同晶体取向DD3单晶在不同温度、不同速率或不同温度、不同应力水平下的拉伸试验、蠕变、疲劳及热疲劳试验;开发了大型单晶结构有限元分析软件SLAPSC和ABAQUS的umat;用双剪切试样和模拟叶片等系列试验对模型和有限元进行考核。作为应用研究,对某发动机单晶涡轮叶片进行了强度分析和寿命预测。      

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。     

正交各向异性材料粘塑性损伤统一本构关系研究

用损伤力学与粘塑性理论相结合的方法,将正交个性异性材料的粘塑性统一本构模型［１］进行了修正和推广,建立了在蠕变与疲劳载荷交互作用下正交各向异性材料的粘塑性损伤统一本构模型。用该模型预测了ＤＤ３ 单晶合金的蠕变和疲劳特性以及蠕变和疲劳损伤,预测了在循环载荷作用下材料的蠕变与疲劳交互作用损伤及其寿命。同时将计算结果和试验结果进行了比较     

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%.      

DZ22多孔板蠕变有限元与试验研究

本文选用航空发动机涡轮叶片用正交各向异性材料 DZ2 2在不同温度下进行蠕变三阶段试验 ,拟合出能反映三阶段蠕变的本构方程。利用试验结果验证了有限元程序分析正交各向异性材料蠕变的有效性。然后 ,针对气冷叶片的特点 ,探讨多孔构件的简化蠕变有限元分析方法。经对密布小孔板状试件的试验与有限元对比分析 ,两者结果吻合较好。     

DD6单晶合金的高温蠕变/疲劳损伤研究

利用高频感应加热的方法对DD6单晶合金的高温蠕变／疲劳损伤性能损伤统一本构方程对其各向异性特点和损伤发展规律进行了有限元数值计算。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，同时在高温条件下蠕变损伤对试件破坏起重要作用，蠕变与疲劳的交互作用会大大缩短材料的循环寿命。     

正交各向异性材料粘塑性统一本构模型

通过引入各向异性矩阵,将各向同性材料的ＷＡＬＫＥＲ粘塑性统一本构模型进行了修正,提出了一个正交各向异性材料的粘塑性统一本构模型,给出了定向结晶材料和单晶材料各向异性矩阵的表达式。用所提出的统一本构模型预测了某单晶材料不同方向的迟滞回线、蠕变和松弛特性,同时与试验结果进行了比较。     

镍基单晶DD3涡轮叶片蠕变寿命晶向相关性分析

基于三维正交各向异性弹性有限元分析和晶体滑移理论，分析了单品涡轮叶片在其工作状态下的应力状态和蠕变寿命与叶型积叠线方向的晶体取向偏角、随机取向的晶向角之间的关系。分析结果表明：叶型积叠线方向的晶体取向偏角和随机取向的品向角，对单晶叶片的应力状态和蠕变寿命具有较大的影响，但二者对叶片蠕变寿命的影响规律是不同的。充分利用品体取向偏角和品向角，在不增加叶片重量的前提下，有利于进一步发掘材料潜力。因此对单晶叶片的晶向进行优化设计，具有重要的工程应用价值。     

正交各向异性材料构件粘塑性损伤寿命研究

用损伤力学与粘塑性理论相结合的方法,将正交各向异性材料的粘塑性统一本构模型进行了修正和推广,建立了在蠕变与疲劳载荷交互作用下正交各向异性材料的粘塑性损伤统一本构模型。用模拟气膜冷却的空心涡轮叶片的子构件,进行了在蠕变与疲劳载荷作用下构件的损伤试验和寿命试验。将计算结果和试验结果进行了比较。     

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.      

一种镍基单晶和定向结晶合金的疲劳寿命模型

针对镍基单晶和定向结晶合金的高温低循环疲劳/蠕变寿命预测问题,用晶向函数修正总应变范围以考虑疲劳寿命的各向异性,并综合考虑了最大应力、平均应力、应力范围以及峰值保持等载荷因素对寿命的贡献,在循环损伤累积思想的基础上发展了一种低循环疲劳/蠕变寿命预测方法.利用定向结晶合金DZ125、单晶合金DD3和DD6在不同温度、不同取样方向和不同保载形式作用下的试验结果,对方法进行了验证,预测与试验寿命相比基本落在2倍分散带内,表明该方法能更好地适应叶片材料各向异性与低循环疲劳/蠕变载荷的情况.      

镍基单晶合金涡轮叶片蠕变分析的MARC用户子程序开发

基于通用有限元软件MARC开发了用于模拟单晶合金材料蠕变性能的用户子程序CRPLAW。该子程序采用经典Norton蠕变本构方程，可以模拟单晶材料在不同温度和不同取向下的蠕变性能。利用CRPLAW对镍基单晶叶片进行蠕变分析，得到了较为满意的结果。通过修改蠕变参数，CRPLAW也可以用来模拟其它晶体合金的蠕变性能。     

镍基单晶蠕变研究：试验、机理及本构模型

本文为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本构模型。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。     

单晶涡轮叶片的蠕变计算分析

介绍了DD3单晶叶片的蠕变计算分析方法,并用非线性有限元程序ANSYS对某型号发动机的涡轮叶片作了蠕变计算。同时分析了单晶材料的工程常数对蠕变的应力,蠕变应变和位移的影响,并与国外相应的单晶材料的计算结果作了对比分析。从计算结果分析说明DD3材料的单晶叶片抗蠕变性能是优异的。这对单晶叶片的选材和设计有其重要参考价值。     

考虑应力松弛的单晶涡轮叶片蠕变疲劳寿命预测

建立了民用航空发动机单晶涡轮叶片考虑应力松弛的蠕变疲劳寿命预测方法,该方法在热弹性蠕变有限元计算基础上,综合单轴等应变松弛模型及多轴应力修正因子预测全寿命周期内的应力松弛历程,应力下限取为一次应力.利用综合时间硬化隐式蠕变方程描述蠕变变形,结合损伤雨流计数法及Morrow方程计算疲劳损伤,基于Robinson法则的分段损伤线性累积方法计算全寿命周期内的蠕变损伤,总损伤达到临界损伤时获得蠕变疲劳寿命.通过对公开的单晶材料蠕变疲劳数据的分析,临界损伤定为0.5.结果显示,考虑应力松弛的蠕变疲劳寿命是不考虑应力松弛的45.6倍.为保证可靠性而兼顾经济性,叶片寿命预测时,可先有限元循环加载n个循环,再利用所提出的方法预测2n个循环内的应力松弛历程.      

镍基单晶合金DD3的寿命预测模型

探讨了镍基单晶合金在承受机械载荷和温度载荷时的寿命预测模型。基于疲劳 -蠕变试验及热机械疲劳 -蠕变试验 ,分析了各影响寿命的主要因素。典型断口的 SEM分析表明 :断口由小剖面组成 ,在小剖面的中心 (附近 )有形核于铸造缺陷的小空穴 ,这些小孔洞有不同程度的长大 ,相对于蠕变 ,疲劳断口的小空穴数量 (密度 )明显增加。详细的观察表明 ,这些空穴对高温带保载的疲劳断口而言 ,承受拉伸保载的断口上的空穴明显较承受压缩保载断口上的空穴大。概括而言 ,镍基单晶合金的破坏受到的影响为空穴扩张和材料消耗 ,对蠕变、疲劳和热疲劳都相同。针对镍基单晶合金叶片的温度、载荷特点 ,可以用线形寿命模型统一描述工作寿命。     

涡轮叶片蠕变-疲劳交互作用下寿命预测方法综述

对航空发动机涡轮叶片蠕变-疲劳交互作用下寿命预测中所涉及的两个关键技术--高温材料本构理论及寿命预测方法进行了系统的综述,评述了各种理论的基本思想、特点及进一步的发展方向。通过上述分析,总结了对航空发动机涡轮叶片进行可靠的寿命预测应具备的基本过程。