用于单晶叶片应力分析的滑移本构模型

为了建立适用于镍基单晶涡轮叶片的有限元分析平台,基于有限变形晶体滑移理论和有限元软件AN-SYS接口参数要求,导出了增量型本构方程公式。采用变刚度法,以切线系数法为初值,采用局部牛顿拉弗森迭代解法,编制了晶体弹塑性滑移本构模型程序,并以子程序Usermat的形式植入ANSYS软件。计算模拟了DD3试棒不同取向的单向拉伸和循环应力应变过程,讨论了〈011〉方向上的应变软化行为和该本构模型对DD3镍基单晶涡轮叶片的良好应用性。数值仿真结果与实验数据对比吻合良好,验证了程序的正确性。     

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     

应力集中对GH2036合金低周疲劳—蠕变性能的影响

在对光滑试件和缺口试件进行高温疲劳－蠕变实验的基础上,分析了应力集中对ＧＨ２０３６合金低周疲劳－蠕变特性的影响。结果表明缺口试件的循环寿命远远低于光滑试件的循环寿命。将应变范围划分方法和改进的Ｎｅｕｂｅｒ原理相结合,得到了缺口部位高温低周疲劳－蠕变寿命估测的方法。用该方法估算ＧＨ２０３６合金的寿命并与实测寿命结果进行比较,证明此方法的预测效果良好。     

单晶切口试样低周疲劳特性研究

基于镍基单晶高温合金DD3切口试样低周疲劳对比试验,得出了相同温度和应力比条件下,切口疲劳寿命受应力集中系数和加载的综合影响,不能仅凭部件某一位置的应力集中程度或受力情况而判断其疲劳寿命.把试验加载条件、材料参数及约束等写入ABAQUS的子程序FATIGUE001中,对切口低周疲劳特性进行了数值模拟,结果表明:切口尖端存在应力松弛,松弛程度受加载及应力集中程度的影响,应力松弛会在一定程度上减弱疲劳裂纹扩展速率,延长疲劳寿命;同时,在切口尖端发生了明显的棘轮效应,因此当塑性变形增加到一定程度切口就会有裂纹启裂直至试样最后断裂.     

高温下取向对DD6单晶高温合金低周疲劳寿命的影响

对 76 0℃和 980℃两种温度下 [0 0 1],[0 11]和 [111]三种取向的DD6单晶高温合金的低周疲劳寿命进行了实验研究。结果表明 ,取向对其低周疲劳寿命有重要影响 ,[0 0 1]取向的寿命最高 ,[111]取向的寿命最低 ,通过引入应力幅值 ,可以在很大程度上消除取向的影响     

DD6单晶合金的高温低周疲劳机制

本文研究了两种高温条件下三种多滑移取向的镍基单晶合金DD6的高温低周疲劳机制。结果表明,DD6合金低周疲劳裂纹以不同的机制在试样表面及亚表面上萌生,萌生位置与试验过程中的塑性应变幅及温度有关。对于[001]取向,760℃和980℃温度条件的裂纹扩展面分别为沿{111}面的结晶学断裂面以及非结晶学断裂面。撕裂棱、裂纹前端微裂纹的桥接等因素是阻滞主裂纹扩展的主要机制。      

一种考虑各向异性的DD6单晶高温合金低周疲劳寿命预测方法

为研究DD6单晶合金低周疲劳性能,准确预测其低周疲劳寿命,基于循环损伤累积(CDA)寿命模型,引入取向系数,提出一种考虑晶体取向的CDA寿命修正模型,并对DD6单晶合金试棒进行了760℃低周疲劳试验。利用CDA寿命修正模型与Coffin-Manson寿命预测模型对试验数据进行分析、比较得到:DD6单晶合金低周疲劳性能[001]取向最优,[011]取向次之,[111]取向最差;CDA寿命修正模型在各晶体取向寿命预测分散性皆优于Coffin-Manson寿命预测模型,具有更好的预测精度;CDA寿命修正模型综合考虑取向相关系数对各取向低周疲劳寿命的影响,具有更广泛的适用性。     

非对称循环载荷下镍基单晶合金低周疲劳寿命预测

在680℃温度下进行[001]、[011]和[111]三种取向的DD3单晶合金光滑试样非对称循环载荷低周疲劳试验,结果表明,晶体取向对DD3单晶合金的应变疲劳寿命有显著的影响,[001]取向寿命最长,[111]取向寿命最短.用晶体取向函数修正总应变范围可以在很大程度上消除晶体取向对疲劳寿命的影响.引人参量k表示载荷循环特性对疲劳寿命的影响,它与循环寿命之间呈幂函数关系.根据影响单晶叶片低周疲劳寿命的主要因素,提出循环塑性应变能的计算方法,构成塑性应变能的主要因素应包括总应变范围、取向函数和载荷循环特性等影响参量,它们与塑性应变能之间呈幂函数关系.用塑性应变能作为损伤参量导出单晶合金低周疲劳寿命预测模型,利用低周疲劳试验数据进行多元线性回归分析,所有试验数据均落在2.6倍偏差的分布带内.     

抽拉速率对DD6单晶高温合金650℃低周疲劳性能的影响

采用2mm/min,4.5mm/min和7mm/min的抽拉速率制备了DD6单晶高温合金试棒。研究了抽拉速率对合金650℃低周疲劳性能的影响。利用扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)分析了疲劳试样的断口形貌和微观组织。研究结果表明:随抽拉速率的增大,γ’相尺寸减小,一次枝晶间距差异不大,二次枝晶呈发达的趋势。抽拉速率4.5mm/min的合金650℃低周疲劳寿命最长。DD6合金表现为基本稳定的循环应力响应行为。疲劳裂纹主要萌生于试样亚表面,随应变量降低,裂纹扩展第一阶段断裂特征由类解理断裂面向锯齿状断面转变。疲劳裂纹沿一个或者多个{111}滑移面扩展。     

镍基单晶/柱晶高温合金超高周疲劳研究进展

镍基单晶/柱晶高温合金具有高温强度高、抗氧化性强、抗疲劳性能优异等优点,是目前先进航空发动机涡轮叶片的主要材料。超高周疲劳（疲劳寿命>10⁸）是涡轮叶片在服役中后期面临的主要问题。对镍基单晶/柱晶高温合金的超高周疲劳进行综述,分析结果表明,单晶/柱晶高温合金在高温下存在反常屈服现象;对比不同频率下的疲劳研究,未发现明显的频率效应;分析断裂机理,发现裂纹主要从内部孔洞等铸造缺陷处萌生。总结了疲劳寿命预测模型,展望了镍基单晶/柱晶高温合金超高周疲劳的发展方向。     

单晶叶片应力分析方法及应用

从单晶变形机理出发,采用晶体滑移理论,给出了单晶弹塑性蠕变滑移本构模型。建立了全新的有限元列式,并用于某气冷单晶涡轮叶片弹塑料性蠕变应力分析。      

数值模拟技术在航空发动机高温合金单晶叶片制造中的应用

定向凝固单晶叶片铸件生产工艺复杂、控制要求高,因而通过试验研究高温合金单晶叶片的成本较高,且研发周期长.随着现代计算机软硬件技术的发展,数值模拟技术发展迅速,在工业领域得到了广泛的应用.通过数值方法可模拟航空发动机涡轮叶片的定向凝固过程、预测最终的微观组织和缺陷情况,能够优化定向凝固生产工艺,提高叶片质量,降低研发成本,缩短研发时间.     

W含量对单晶镍基合金组织与性能的影响

通过对两种成分单晶镍基合金进行蠕变曲线测定,长期时效处理及组织形貌观察,研究了元素W含量对单晶合金组织与性能的影响.结果表明:在Ni-A1-Cr-Ta-Co-x%W-5.5%Mo系单晶合金中,4wt%W合金在982℃,200MPa条件下,具有较长的蠕变寿命,随W含量增加到6wt%,合金的蠕变寿命明显降低.高W合金在有/无应力时效期间,析出针状μ相,使合金基体出现难溶元素的贫化区,是导致合金蠕变寿命降低的主要原因.其中μ相在(001)晶面沿<110>方向呈相互平行、或垂直的针状形貌析出,沿{111}晶面呈片状方式生长,且与γ′相相邻.     

晶体取向对第四代单晶高温合金DD15高周疲劳性能的影响

在定向炉中分别采用籽晶法制备了[001]、[011]和[111]3种不同取向的第四代单晶高温合金DD15,在800℃研究了不同取向的高周疲劳性能,分析了合金不同取向的显微组织、疲劳断口形貌和疲劳断裂组织.结果表明:在凝固方向横截面上不同取向合金的铸态枝晶和热处理γ′相组织明显不同.合金800℃的高周疲劳性能存在各向异性...     

晶体取向的偏差和随机性对镍基单晶叶片强度与蠕变寿命的影响

本文提出双参数蠕变损伤模型用以模拟镍基单晶合金叶片的强度和寿命。该模型得到单轴应力状态和模拟叶片、双剪切试样复杂应力状态的考核。叶片分析表明:单晶叶片轴向的偏角增大,强度的分散性变大。两个不受控的晶体取向变化时,滑移系的分切应力最大有15%的变化;轴向的偏角的增大,寿命的分散性变大,15°的偏角,寿命偏差6倍。两个不受控的晶体取向变化时,寿命有50%的变化。结果表明:对叶片进行3维取向优化,可以提高叶片的蠕变寿命。      

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。     

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。     

Ru对DD22镍基单晶高温合金组织和持久性能的影响

通过对两种不同Ru含量(0％和2％,质量分数)的新一代镍基单晶高温合金DD22铸态及热处理态组织定量表征与1100～ 1150 ℃持久性能测试,研究了Ru对相转变温度、(γ+γ')共晶组织、凝固偏析、合金元素相成分、合金元素分配比及持久性能的影响.结果表明:Ru降低了合金的固液相线、铸态共晶组织体积分数以及凝固偏析程度.合金热处理后,与无Ru合金相比,含Ru合金γ '尺寸更为细小,γ/γ'两相中对TCP相析出有重要影响的Re和Cr元素分配更加均匀.Ru通过降低γ'相尺寸,增加γ/γ'错配度,提高固溶强化效果,抑制持久加载过程中TCP相析出,显著提高DD22合金持久性能.     

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。