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.      

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.      

镍基单晶高温合金热机械疲劳行为与寿命建模

通过DD6单晶薄壁管试样机械应变控制热机械疲劳(TMF)试验,获取温度交变、相位角以及载荷控制方式对单晶应力应变响应与疲劳寿命的影响规律。结果表明:温度交变会引起明显的应力不对称性并造成额外损伤,导致TMF寿命明显低于最高循环温度的等温疲劳(IF)寿命,并且反相(OP)循环寿命普遍要低于同等载荷的同相(IP)循环,这种寿命变化趋势与应力控制存在明显差异。采用Walker本构模型进行单晶材料在不同TMF循环下的滑移系黏塑性分析,构建单晶TMF损伤与滑移系细观应力应变参量的关联。在此基础上,选取最大Schmid应力、最大滑移剪应变率、滑移剪应变范围、循环Schmid应力比作为损伤参量,建立基于细观参量的TMF寿命模型,其对不同相位、不同载荷控制方式的TMF寿命预测精度均在2倍分散带内。      

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。     

DD6单晶高温合金的低周疲劳寿命估算

建立了 DD6单晶高温合金杨氏模量、屈服强度和强化指数与取向定量关系。并用这三个力学参数对滞后能△W进行表达。进而用 Nf =C(△ W)β模型疲劳寿命进行予测 ,对 [0 0 1 ]、[0 1 1 ]和 [1 1 1 ]取向附近的多个取向进行的恒应力速率的低周疲劳试验表明 :实际寿命与该模型的预测寿命吻合得相当好     

DD6单晶涡轮叶片热机综合疲劳试验研究

针对涡轮叶片考核部位的寿命问题,介绍了DD6单晶涡轮叶片热机疲劳试验方法。通过设计感应线圈进行高频感应加热,实现某一工作状态下涡轮叶片考核截面温度场模拟,同时使用U型铁氧体精细调节温差;通过设计的二位移调节机构控制拉伸载荷,实现涡轮叶片考核截面由离心载荷和气动载荷引起的应力场模拟。在保证内冷空气流量的条件下,进行了DD6单晶涡轮叶片热机疲劳试验,实现了涡轮叶片寿命预测方法的试验验证,同时为工程设计提供了试验依据。     

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。      

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。      

基于复合疲劳试验的涡轮叶片振动应力反推法

提出了一种利用复合疲劳试验和外场故障数据反推涡轮叶片实际振动应力的方法.该方法针对与故障叶片同批次的叶片,开展数个振动应力水平下的单件试验和某一特定振动应力水平下的成组试验,利用极大似然法推导出叶片的概率-应力-寿命曲线(P-S-N);最后基于99.87%存活率下的概率-应力-寿命曲(P_99.87%-S-N),结合叶片的外场故障统计结果,反推出叶片实际工作中振动应力的范围和可能的最大振动应力.      

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.      

基于主成分分析的镍基单晶高温疲劳寿命模型

采用滑移平面作为临界平面,并以滑移平面上的细观参量作为损伤参量研究材料损伤行为能很好地体现镍基单晶破坏的物理机制.滑移平面上细观参量通过本构模型相互联系,存在较强的多重共线性,导致寿命建模时难以得到合理稳定的材料常数.为此,引入主成分分析方法消除初始细观参量间的多重共线性影响,确定了临界平面主导损伤因子,并基于主导损伤因子建立了寿命模型.对比直接采用初始细观参量建立的寿命模型,该模型形式更为简单,材料常数稳定、合理,反映了细观参量对镍基单晶损伤影响的量化特征.采用760℃与980℃下DD6高温疲劳试验结果对寿命模型进行验证,试验寿命基本落在预测寿命的3倍分散带内.      

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.      

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.