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。     

镍基单晶合金弹塑性本构模型

Hill模型用于面心立方单晶的弹塑性变形,在描述屈服特性的晶向相关性时精度不高。考虑正交各向异性材料在偏轴受载时存在拉、剪应力耦合效应的影响,通过增加一项由应力偏张量分量的二次项乘积构成的应力不变量,对Hill屈服模型进行修正,并根据单晶合金的屈服特点提出了新的单晶合金屈服准则。用该屈服准则对DD3单晶合金的屈服应力进行预测,760℃时能很好地符合试验结果;与Hill屈服准则比较,预测精度显著提高。在此基础上,重新定义了适合新屈服准则的等效应力,并由联合流动法则,以屈服函数作为塑性势函数,采用等向硬化模型,建立了单晶合金的弹塑性本构模型,推导出相应的弹塑性矩阵。对于各向同性材料,新屈服准及其等效应力则退化为VonMises屈服准则和其相应的等效应力。      

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.      

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。     

镍基单晶涡轮单晶材料的细观力学研究

本文针对CMSX-4单晶材料,在细观层次上对筏化-解筏以及空穴这两种主要损伤机理进行了细观试验研究。结果表明．空穴在蠕变、疲劳和热机械疲劳损伤中起着重大的作用;蠕变过程中的筏化规律影响材料的蠕变寿命,但细观层次的筏化,影响因素较为复杂。本文的研究结果对准确评定镍基单晶涡轮叶片的剩余寿命具有参考作用。     

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。     

镍基单晶涡轮叶片结构强度分析有限元程度及应用

全面介绍了各向异性晶体滑移结构强度和蠕变分析有限元程序的原理,功能特点,及其在镍基单晶涡轮叶片中的应用实例。     

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。      

镍基单晶蠕变研究：试验、机理及本构模型

本文为镍基单晶合金高温蠕变建模研究工作的第一部分,通过对DD6镍基单晶合金不同中断时间的高温蠕变试验及透射电镜（TEM）观察,结合单晶合金蠕变机理的研究成果阐明了单晶高温蠕变的机理,并从Orowan方程出发,在晶体塑性理论框架下建立描述晶体滑移系上位错演化规律的方程,发展了以位错密度变化表征镍基单晶高温蠕变的本构模型。该模型考虑了较宽温度与载荷范围内单晶的主要蠕变机理,可较好地建模750℃～1100℃范围内镍基单晶的各向异性蠕变行为。     

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。     

一种含Re单晶镍基合金的高温蠕变行为

通过测定蠕变曲线及位错运动的内摩擦应力(σ0),研究了一种含Re单品镍基合金的蠕变行为,并计算出稳态蠕变期间的表观蠕变激活能及应力指数.结果表明:在稳态蠕变期间位错运动的内摩擦应力(σ0),随外加应力的提高略有提高,随温度的升高而明显降低.在蠕变初期,γ'相沿垂直于应力轴方向形成N型筏状结构,随蠕变进行,筏状γ'相发生粗化,且距离断口越近,筏状γ'相粗化及扭曲程度越严重,其中,由于颈缩使样品近断口区域承受最大有效应力,是使筏状γ'相粗化及扭曲加剧的主要原因.蠕变后期,合金的变形机制是位错剪切筏状γ'相.     

镍基单晶高温合金的发展

概述了镍基单晶高温合金的发展历程,分析了其成分、相组成、热处理的特征和持久变形及强化机制,给出了其持久性能数据,并指出了发展趋势。     

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...     

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。      

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.     

一种单晶镍基高温合金在不同温度下的静拉伸性能

研究了一种单晶镍基高温合金在不同温度下的静拉伸性能,初步建立了该合金不同温度下的弹性模量与任意取向之间的定量关系。在恒定温度下,该合金的弹性模量可由唯一的变量晶向参数定量描述。合金的屈服强度和抗拉强度依赖于晶体取向和温度,室温时[111]取向的屈服强度高于[001]取向,而在温度较高时,[111]的屈服强度最低。      

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。