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.      

一种单晶涡轮叶片凝固过程及晶粒组织的数值模拟

建立了单晶涡轮叶片的有限元模型,采用有限元方法计算了叶片熔模精密铸造凝固过程的流场、温度场以及应力场。数值模拟结果可以为优化单晶叶片铸造工艺、改善叶片晶粒组织结构、提高叶片强度提供依据。     

一种含铼和碳的镍基单晶高温合金显微组织的研究

研究了一种含铼和碳的镍基单晶高温合金的铸态和热处理态的显微组织。结果表明:合金铸态组织中枝晶干和枝晶间区域的γ'相呈近立方状,枝晶间区域析出了少量的共晶相和MC型碳化物;合金经固溶处理后,共晶相完全消除,显微偏析得到明显改善。经标准热处理后,枝晶干和枝晶间的γ'相立方度提高,枝晶干区域γ'相的体积分数和尺寸都小于枝晶间区域的,其体积分数和尺寸分别为61%,0.32μm和68%,0.41μm,而碳化物的形貌和尺寸无明显变化。合金经1095℃/100h处理后,枝晶干析出了一定量富集Re和W的TCP相。     

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.      

各向异性多轴近似应力应变分析方法研究及应用

用基于Neuber法则的各向异性多轴近似应力应变分析方法,计算了沿不同方向加载时,定向凝固合金DZ125和单晶DD6材料缺口构件,弹塑性应力应变分布以及应力集中处的弹塑性应力-应变响应.同时,将微分形式的、考虑了时间效应的Neuber法则拓展到各向异性多轴保载情形,给出了拉伸保载时缺口根部的应力-应变响应.计算结果显示,单轴循环模拟结果与试验数据吻合,缺口构件循环加载以及拉伸保载预测结果与物理实际相符.证明了基于Neuber法则的各向异性多轴应力应变分析方法,可用于国产定向凝固合金和单晶材料循环加载以及拉伸保载分析.      

表面再结晶对单晶高温合金SRR99中温持久性能及断裂行为的影响

利用喷丸预变形,研究了表面再结晶对SRR99单晶高温合金中温持久性能及断裂行为的影响.结果表明,表面再结晶对单晶合金中温持久寿命影响很大,760℃ /785 MPa条件下,厚度约为103μm的再结晶层(约占试样横截面面积8％)使合金中温持久寿命下降了约90％.再结晶层几乎没有承载能力,基体承受的实际应力增大,是导致合金持久性能下降的主要原因.此外,再结晶层与基体界面处的缺口效应也会使合金的持久寿命进一步降低.760℃/785MPa条件下,未再结晶试样的微观断裂方式为微孔聚集型断裂与滑移剪切断裂共存的混合型断裂,而再结晶试样则以纯滑移剪切的方式断裂.     

基于临界平面的镍基单晶高温合金疲劳寿命预测模型

根据循环损伤累积的思想,发展了一种基于临界平面的镍基单晶高温合金疲劳寿命预测模型.以非弹性应变能密度最大的滑移面作为镍基单晶高温合金承受最大损伤的临界平面,并结合基于滑移系的黏塑性变形分析结果,建立了疲劳寿命与最大滑移系分解剪应力、最大滑移剪应变率、滑移剪应变范围、应变比以及拉伸/压缩保载频率等临界平面参数的函数关系.采用760℃下DD6单晶的疲劳试验结果对上述预测模型进行验证,试验与计算结果符合良好,基本在2倍分散带内.      

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。      

应力对DD5单晶高温合金持久过程中析出相的影响

利用扫描电镜和透射电镜研究了DD5单晶高温合金在持久性能测试过程中试样不同位置析出相的析出规律,分析了应力对析出相析出行为的影响并鉴定了两种析出相的种类。研究结果表明该合金在1 038 ℃/172 MPa条件下随着局部拉应力的增大,枝晶间和枝晶干析出相数量都明显增加;合金在871 ℃/552 MPa条件下只在枝晶间区域析出少量粒状析出相,且随拉应力的增大,析出相数量有所增加;透射电镜分析表明合金的枝晶干区域的析出相主要为μ相,枝晶间析出粒状析出相主要为M₂₃C₆碳化物相。     

金属结晶:从单晶到微晶

控制铸件的晶体和冷却速率对合金的宏、微观组织、最终力学性能有很大影响.根据期望,冷却金属可很慢或很快.为生产一种单晶体,在模具中以10~(-3)～10~(-1)度/秒的冷却速率作定向结晶,最终的铸件形成一个近似网状的涡轮叶片.相反,以10~6度/秒的冷却速率快速结晶,则形成粉末或带状物.这些材料具有很细小的颗粒,而且合金元素和强化相的分布相当均匀.