DD6镍基单晶涡轮转子叶片失效分析

为了排除某航空发动机DD6镍基单晶高温合金涡轮转子叶片在室温振动试验中发生的裂纹故障,对故障叶片进行了外观检查、断口分析、表面检查、解剖检查、化学成分分析、金相检查、应力分布计算及热模拟试验,确定了故障叶片裂纹的性质和产生原因.结果表明:涡轮转子叶片裂纹为高周疲劳裂纹,叶片局部区域存在异常的γ'筏排组织是导致该叶片产生早期疲劳开裂的主要原因,且附近区域腐蚀过重及结构上处于应力集中区,也促进了疲劳裂纹的萌生及扩展.针对这些故障,建议优化叶片结构并对腐蚀检查进行严格监控,防止出现γ’筏排组织及腐蚀过重现象,从而避免此类故障再次发生.     

DD6 合金涡轮叶片裂纹失效分析

为了确定DD6 合金涡轮叶片在工作过程中叶身排气窗处产生的裂纹的性质和产生原因,对裂纹叶片进行了外观检查、 断口分析、成分分析和组织分析。结果表明：DD6 合金涡轮叶片裂纹是叶片排气窗间隔墙内腔转接部位再结晶引起的疲劳开裂,再 结晶晶粒产生于叶片生产过程中固溶处理之后;叶片其他排气窗间隔墙内腔表面存在小裂纹,是在叶片生产过程的再结晶检测工 序中腐蚀液流进内腔侵蚀再结晶晶粒边界所致;并通过模拟试验再现了再结晶晶粒和小裂纹的产生。提出了增加叶片内腔再结晶 检测控制、改进叶片排气窗结构或铸造工艺的建议。     

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。     

单晶高温合金DD3的相特征

利用物理化学相分析方法研究第一代单晶高温合金DD3的相特征。通过相萃取分析热处理前后γ′相和碳化物相的组成、含量及其结构式,并对比分析不同状态下DD3合金的强化相粒度、基体相成分及元素分配行为的变化。热处理前后的相特征分析表明,热处理不仅提高DD3合金γ′相含量、减小γ′相粒度,还改变合金元素的分配行为,提高γ′相的强度和稳定性。热处理的过程是γ′相得到强化的过程。     

DD6 单晶合金涡轮叶片排气窗裂纹分析

针对DD6单晶合金涡轮叶片在试车一定时数后发生的排气窗裂纹故障,通过裂纹特征观察、断口形貌对比、金相组织检查、化学成分分析和微裂纹模拟试验等方法,进行裂纹性质及产生机理的研究。结果表明:叶片排气窗裂纹性质为疲劳裂纹,起源于间隔墙转接部位再结晶晶界处的微裂纹;试车时振动应力的作用使微裂纹扩展;间隔墙部位的再结晶晶粒在试车前已经存在,与过大的铸造残余应力有关,再结晶检验时腐蚀液侵蚀再结晶晶界形成微裂纹;在叶片铸造时,型芯强度对间隔墙再结晶有明显影响,型芯的强度越高,产生再结晶的几率越大。     

DD6 单晶合金涡轮转子叶片裂纹与内腔等轴晶成因研究

为排除某航空发动机DD6单晶合金涡轮转子叶片振动试验过程中出现异常裂纹的故障,开展了裂纹外观检查、断口宏观和微观形貌分析、表面检查、解剖分析、显微组织检查、成分分析及应力分布计算等工作,对故障叶片失效原因及内腔局部区域的等轴晶成因和机理进行研究。结果表明:DD6单晶合金涡轮转子叶片裂纹性质为高周疲劳,裂纹过早萌生与叶片内腔存在等轴晶有直接关系,且附近存在无枝晶的异常组织也促进了疲劳裂纹的萌生及扩展。同时,等轴晶在叶片使用之前已存在,是由于内腔工艺孔处的高温合金焊料遗留,高温真空焊接时形成易形核质点。建议加强对叶片内腔生产质量的控制,并对叶片内腔工艺孔附近危险部位进行严格检查,避免此类故障再次发生。     

DD402单晶合金及其Ⅰ级单晶涡轮叶片的组织稳定性

对ＤＤ４０２（ＣＭＳＸ－２）单晶合金标准热处理状态组织及８５０℃下５００ｈ时效、１５００ｈ时效和３０００ｈ时效后的组织进行了显微组织观察和比较,测定了长期时效后的高温持久性能,并检查了拉断后试棒的显微组织。ＤＤ４０２单晶合金的应用对象是某涡轴发动机Ⅰ级涡轮叶片,解剖分析了经８００ｈ考核试车后的叶片组织。结果表明,在本文试验范围内,试样及叶片组织中均未发现ＴＣＰ相,γ′形态稳定,仅在一定时间的高温和足够高的应力综合作用下,γ′才发生筏形变化。     

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。     

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.      

第三代单晶高温合金

最近出现的第三代单晶高温合金ＣＭＳＳＸ－１０、ＲｅｎｅＮ６，其蠕变断裂性能比第二代单晶合金高约３０℃。其成分的特点是含铼量高（达６％），含铬量低（约３％）但环境性能良好。据报道，第三代单晶合金已用作研制中的推重比为１０的航空发动机Ｆ１１９的叶片材料。     

DD402单晶合金在小发涡轮工作叶片上的应用

论述了所研制DD402单晶合金的化学成分、显微组织、热处理及长期组织稳定性、物理性能、力学性能、化学性能等。通过考核试车和试飞证明，用该合金制造的小型航空发动机涡轮工作叶片工作正常。这一成果可供航空发动机设计人员和工艺人员在新机研制和生产中借鉴。     

DD5高温合金单晶叶片振动频率的试验研究

利用第二代单晶高温合金DD5,在工业设备条件下批量制备了两种结构的单晶叶片铸件,并对它们的振动频率进行了测量和分析。结果表明,叶片的振动频率随着一次晶向偏离角增大而显著提高,但受二次晶向偏离角的影响很小;叶身结构是决定叶片振动频率的另一重要因素,但对叶片总重量的影响并不显著。为严格控制叶片的振动频率,在设计上应进一步优化叶身结构,在铸造过程中应尽量减小叶片的一次晶向偏离。     

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。      

镍基单晶涡轮冷却叶片力学性能表征技术研究新进展

镍基单晶涡轮叶片作为20世纪80年代以来航空发动机重大技术之一,近几年的发展相当迅速,相继开发了几代单晶合金,目前被广泛应用于先进的在役和在研的航空发动机,为大幅度提高发动机性能作出了重大贡献。     

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。     

涡轮叶片用单晶高温合金的发展

第一代单晶合金的成分与力学性能关系已研究了40年,研究得十分详细. 一些合金设计人员发现,在一些第一代合金中加入铼可明显改善合金的蠕变强度.     

DD6单晶冷却涡轮叶片模拟试样蠕变寿命研究

研究了DD6单晶冷却涡轮叶片模拟试样中气膜孔对蠕变寿命的影响。分别对带气膜孔和不带气膜孔的薄壁圆管试样进行了蠕变测试,带气膜孔试样作为冷却叶片模拟件,不带气膜孔试样与之比较。900％与1000％的蠕变试验结果表明：在相同应力条件下,壁厚为2．0mm试样的蠕变寿命要比壁厚为1．5mm试样的长,带气膜孔试样的蠕变寿命要比不...     

小角度晶界对单晶高温合金DD6持久性能的影响

在800℃,850℃和900℃的温度条件下,研究小角度晶界对第二代单晶高温合金DD6持久性能的影响.结果表明,带有小角度晶界合金的持久性能低于[001]取向DD6合金的持久性能.并且,随着晶界角度的增加,持久性能具有明显的降低倾向.晶界角度较大时,带有小角度晶界合金的持久性能明显低于[001]取向的性能.晶界角度较小时,与[001]取向相比,800℃温度条件下带有小角度晶界合金的持久性能明显较低;而在850℃和900℃的温度条件下,尽管带有小角度晶界合金的持久性能较低,但数值与[001]取向的性能相差不大,表明随着温度的升高,小角度晶界对持久性能的影响减弱.     

镍基单晶合金CMSX-2持久拉伸断裂时相密度及γ′相含量分布测算

测算了CMSX-2合金持久拉伸断裂时枝晶典型区域的两相密度及γ′相含量.结果表明,枝晶区域两相密度按枝晶干-枝晶臂-枝晶间的顺序依次递减,γ′相含量依次递增;随持久试验温度的升高(伴外应力下降),枝晶区域中γ和γ′相密度连续下降;与中温-高应力持久试验相比,高温-低应力持久试验所得γ′相含量分布的梯度较大.γ′相总量在枝晶区域的分配量表明,枝晶干中γ′相实际含量最低者的持久寿命最短,反之持久寿命最长.