镍基高温合金的蠕变—疲劳交互作用行为及寿命预测

通过进行具有拉伸保持、压缩保持和拉－压保持的全反向总应变控制的低周疲劳实验,对镍基高温合金ＧＨ４０４９的蠕变－疲劳交互作用行为进行了系统的研究。结果表明,在较高的总应变幅下,合金首先发生循环应变硬化而后则发生软化直至断裂,而在低的总应变幅下则表现为循环稳定。由于压缩应变保持和拉－压应变保持的介入,合金的疲劳寿命将显著降低,但拉伸应变保持对疲劳寿命的影响则取决于总应变幅。拉伸保持或压缩保持时将分别产生平均压应力或拉应力。扫描电镜断口观察结果表明,裂纹萌生和第Ⅰ阶段的扩展均为穿晶形式,而第Ⅱ阶段的裂纹扩展则主要为沿晶形式。此外,利用线性累积损伤法则对蠕变－疲劳寿命进行了预测。     

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.      

基于循环应变特征的疲劳-蠕变寿命预测方法

为研究非对称加载下疲劳-蠕变交互作用对粉末高温合金涡轮盘寿命的影响,开展了550 ℃时不同应力水平及保载时间下FGH96粉末高温合金的低周疲劳-蠕变试验,得到了材料的循环应变响应及疲劳-蠕变寿命随保载时间的变化规律。在此基础上,结合材料的循环软化特征,以循环应变范围作为损伤控制参量,将其与保载时间和动态循环次数相关联,提出了一种基于循环应变特征的疲劳-蠕变寿命预测方法。该模型综合考虑了载荷历程和保载时间对材料疲劳-蠕变损伤的影响,能够实现不同应力水平、不同保载时间下FGH96粉末高温合金疲劳-蠕变寿命预测以及消耗寿命的动态跟踪。通过与工程上常用的几种模型进行对比,发现新模型具有较高的预测精度,且预测结果分散性较小,寿命预测结果基本位于±2.5倍寿命分散带之内,预测标准差小于0.4。     

高Nb-TiAl合金高温力学行为本构建模仿真技术

针对新研制的高Nb-TiAl合金(Ti-45Al-8Nb-0.2W-0.2B-0.02Y(原子分数/%)),开展了750℃条件下不同应变速率的单轴拉伸、低周疲劳、疲劳-蠕变交互和蠕变试验,获得了相应试验条件下的试验数据和曲线,基于宏观唯象Chaboche黏塑性统一本构模型,采用Ohno-Wang修正项准确表征材料的循环硬化/软化行为。另外,为了准确模拟材料的加速蠕变阶段,在Chaboche黏塑性统一本构模型中耦合Kachanov损伤演化率,采用自适应的显式Euler法将微分形式的本构模型离散为差分方程组,并植入到有限元软件ABAQUS的用户材料子程序UMAT中,实现对高Nb-TiAl合金在不同试验条件下力学行为的仿真模拟。结果表明,采用考虑Ohno-Wang修正并耦合Kachanov损伤的Chaboche黏塑性统一本构模型能够准确模拟高Nb-TiAl合金不同应变速率的单轴拉伸、低周疲劳、疲劳-蠕变交互和蠕变行为,且预测精度较高,满足实际工程需要。     

GH4169合金蠕变疲劳行为的有限元模拟及寿命预测

考虑蠕变-疲劳损伤,对部件材料进行合理的循环变形描述和准确的寿命预测,是保证航空发动机等高温设备长周期安全运行需要解决的关键问题之一。基于大型有限元软件ABAQUS,采用组合Chaboche随动强化准则和Voce各向同性硬化准则的循环弹塑性本构模型,叠加应变强化的蠕变本构模型,对GH4169合金在蠕变-疲劳载荷下伴有应力松弛的循环变形行为进行了准确的有限元模拟。同时,将Wang等最新修正的基于逐周次概念的蠕变-疲劳损伤模型进行了有限元移植,结合有限元模拟所得的循环应力、应变状态,实现了对GH4169合金蠕变-疲劳寿命的准确预测。研究结果将为进一步实现对航空发动机关键部件精确的寿命预测提供理论基础和技术手段。     

DD3单晶高温合金拉伸蠕变各向异性

研究了镍基单晶高温合金ＤＤ３（００１）,（０１１）,（１１１）取向光滑圆拉伸试样在７６０℃,８５０℃,９５０℃典型应力条件下的拉伸蠕变特征。试验发现,在较高蠕变应力水平时,ＤＤ３ 单晶合金具有明显且复杂的拉伸蠕变各向异性,且蠕变变形率及其对应力增加的敏感性的强弱顺序会随温度变化而发生变化。这归因于该合金的成分特征、蠕变应力、晶体取向决定的蠕变主滑移系类型（八面体、立方及二者混合）及位错移动动力学特点的不同     

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。     

镍基单晶合金粘塑性行为的微力学模型

考虑镍基单晶合金细观两相共格的微组织结构特点,采用周期性胞元假设,在胞元不同区域构建其三维应力应变解析模型,并针对细观胞元中位错的增殖、攀移、切割及恢复等主要机制建立其粘塑性应变模型,二者结合较全面地模拟了镍基单晶合金SC16和DD3在1123K和1033K下的单调拉伸、蠕变及循环特性。根据模拟结果,对粘塑性应变模型中各个位错机制所起的作用及控制方式进行了具体分析,通过与试验曲线比较,得到较一致的结果。     

镍基单晶合金黏塑性行为的微力学模型

考虑镍基单晶合金细观两相共格的微组织结构特点,采用周期性胞元假设,在胞元不同区域构建其三维应力应变解析模型,并针对细观胞元中位错的增殖、攀移、切割及恢复等主要机制建立其黏塑性应变模型,二者结合较全面地模拟了镍基单晶合金SC16和DD3在1123 K和1033 K下的单调拉伸、蠕变及循环特性.根据模拟结果,对黏塑性应变模型中各个位错机制所起的作用及控制方式进行了具体分析,通过与试验曲线比较,得到了较一致的结果.      

一种镍基单晶合金多轴低周疲劳损伤参量

用损伤应变能释放率作为热力学广义力描述正交各向异性材料的疲劳损伤过程,定义了含有3个弹性常数的镍基单晶应力三轴性因子,它不仅反映多轴载荷下的复杂应力状态,还显示正交各向异性材料偏轴受载时存在的正应力与剪应力的耦合效应,是对各向同性材料应力三轴性因子的拓展。用镍基单晶应力三轴性因子修正Mises应变范围作为疲劳损伤参量,引入损伤驱动力循环特征参数反映循环载荷的交变特性,提出了单晶合金低周疲劳损伤模型。利用DD3和CMSX-2单晶合金低周疲劳试验数据,采用多元线性回归分析方法拟合疲劳损伤模型参数,试验所得数据都落在2倍和2.5倍偏差分布带内。      

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.      

变载条件下镍基单晶合金蠕变本构建模方法

针对镍基单晶合金在变载条件下的蠕变计算问题,基于"等损伤"假设提出了一种用于变应力/温度条件下的硬化准则,并与耦合损伤的蠕变模型相结合.采用Arrhenius对数关系式对蠕变应变速率进行温度内插,使之能够用于给定温度范围的蠕变计算.将上述蠕变模型编写为ABAQUS/UMAT用户子程序,利用DD3,CMSX-4,DD6和...     

镍基单晶合金高温蠕变筏化模型研究

基于细观两相胞元结构的滑移本构模型, 引入高温蠕变筏化机制, 并与三维胞元应力应变解析模型结合, 模拟了DD3在1 223 K和SRR99在1 123 K及1 253 K下的蠕变筏化.在胞元应力模型中引入细观尺寸变化, 提出了判断γ′筏化类型和方向的准则, 定量模拟了γ′的高温筏化过程.结果表明:本模型对筏化方向的判断和筏化过程的模拟与试验相吻合, 筏化模型的引入使基于细观胞元结构的滑移本构模型可以较准确地模拟单晶材料的高温蠕变行为.      

GH36合金在疲劳和蠕变交互作用下的失效寿命

一、前言 航空发动机是在起动-运行-停车的循环状态下工作的,这种循环使其热端部件受到了两种损伤,即由于起动-停车的循环变形而引起的疲劳损伤和在运行过程中,由于持续峰值载荷的作用而引起的蠕变损伤,与单纯疲劳相比,这种疲劳和蠕变交互作用将显著降低构件的寿命。对此,业已提出许多寿命估算方法,其中,虽有些方法较简单,便于工程计算,但其应用还有一定的局限性,而且对交互作用的微观机制尚缺乏深入的研究。     

考虑应力松弛的涡轮盘蠕变-疲劳寿命可靠性分析方法

提出了考虑材料蠕变应变模型参数分散性及应力松弛效应的涡轮盘蠕变-疲劳寿命可靠性分析方法。首先建立蠕变应变概率模型;然后采用响应面法分别回归蠕变和疲劳损伤函数;通过蒙特卡洛法模拟总损伤分布及寿命可靠度。同时提出给定可靠度的寿命计算方法和两种考虑应力松弛的涡轮盘蠕变-疲劳寿命可靠度分析简化方法。通过算例验证了方法的有效性。     

Ni3Al基单晶高温合金蠕变本构模型

结合Ni3Al基单晶高温合金蠕变行为的细观机理,在晶体滑移理论的基础上,建立了描述Ni3Al基单晶高温合金蠕变行为的本构模型,并通过ANSYS提供的UPFs二次开发平台对所建立的本构模型进行了有限元实现。利用蠕变试验数据,结合遗传算法获取了两种Ni3Al基材料的蠕变本构模型参数。利用所建立的蠕变本构模型对两种Ni3Al基材料的高温拉伸试件进行了有限元模拟,与试验结果吻合良好。这表明在晶体滑移理论基础上建立的本构模型是合理的,并且能够较好地描述Ni3Al基单晶高温合金三个阶段的蠕变行为,具有一定的应用价值。      

单晶高温疲劳损伤参量的选取与寿命建模

高温疲劳损伤是引起单晶涡轮叶片破坏的主要因素之一。利用不同试验条件下DD6标准试件的低周疲劳和蠕变-疲劳试验结果,结合基于滑移系的黏塑性应力-应变分析,分别研究了晶体取向、应变范围、平均应变以及保载时间等对单晶高温疲劳损伤的影响机制。进而采用滑移剪应变最大的滑移系作为临界滑移系,选取临界滑移系上的最大Schmid应力、最大滑移剪应变率、循环Schmid应力比以及滑移剪应变范围等细观参量作为损伤参量,建立了一种新的基于临界平面的循环损伤累积（CDA）模型。结果表明,该模型对于DD6高温疲劳寿命预测精度基本在3倍分散带内。     

Research on influence of typical microstructure characteristics of Ni base single crystal on creep rupture and deformation analysis of turbo blade

Considering the influence of typical microstructure characteristics on creep performance,a series of UM-F single crystal alloys which had similar element components but different microstructures were used to analyze the relationship between creep life and microstructure characteristics of Ni base single crystal.Three main factors were proposed:misfit,volume fraction of precipitate and maximum matrix channel width.The Microstate parameter Ymicro was established to estimate the deformation state of the materials.The linear relationship between the initial value of microstate parameter Y0 and creep life under a certain temperature/load was affirmed.By analyzing the high temperature region of turbo blade using the material parameters of DD 3,the creep deformation and the life prediction of the critical points of blade were obtained and the result closed to the test.     

某涡轴发动机涡轮叶片尾缘孔的蠕变-疲劳寿命预测方法

针对某涡轴发动机的涡轮叶片,建立了考虑应力松弛的蠕变-疲劳寿命分析方法。通过在黏塑性理论框架内耦合蠕变损伤,对某高温合金的非线性蠕变变形进行了数值模拟。结果表明:基于对某涡轮叶片的弹塑性-蠕变分析研究,明确了叶片上前缘和尾缘等关键部位的蠕变损伤及其演化规律,也为确定叶片上的局部危险点提供了一种方法。该模型针对弹塑性应力应变曲线计算误差小于5%,而针对蠕变曲线的模拟精度则处于材料蠕变变形固有属性分散范围内。借助于线性损伤累积寿命理论,分析得到了某涡轮叶片尾缘孔局部考虑了应力松弛的蠕变-疲劳寿命,从而为叶片寿命评价提供了更为合理、工程化应用更好的方法。