航空发动机涡轮叶片疲劳—蠕变寿命试验技术研究

涡轮叶片是航空发动机工作环境最恶劣,结构最复杂的零件之一,也是发动机断裂故障多发件之一。由于发动机工作时涡轮叶片始终在高温下承受复合载荷的作用,因此在涡轮叶片定寿中,不能将叶片的蠕变和疲劳寿命割裂开,而必须充分考虑疲劳—蠕变交互作用的影响。目前理论上对结构疲劳—蠕变寿命的预测方法还很不完善,故对涡轮叶片开展疲劳—蠕变寿命试验研究是叶片设计和定寿工作中的重要环节。本文对涡轮叶片疲劳—蠕变试验技术进行了综合论述。文中特别强调了试验载荷谱确定和叶片模拟试验件设计的关键技术环节,同时还介绍了一种专门适用于叶片疲劳—蠕变试验的基于机电伺服加载系统的疲劳蠕变综合试验器。      

一种新的蠕变持久可靠性方程

高可靠度的蠕变持久方程是高温机械设备设计和寿命评估的重要依据, 但是, 根据现行方法得出的蠕变持久可靠性方程无法满足预定的置信度和可靠度的要求, 导致其预测的蠕变持久强度和使用寿命过大, 使高温机械在实际使用中偏于危险。本文发现并纠正了现行方法中的错误, 建立了一种新的蠕变持久可靠性方程, 根据该方程可以准确地预测高置信度和高可靠度的蠕变持久强度和使用寿命。      

循环热机载荷作用下航空涡轮盘蠕变疲劳寿命预测

基于循环弹塑性本构模型(考虑Chaboche随动强化演化律)、应变强化蠕变本构模型和对先进蠕变-疲劳损伤模型的结构拓展,建立了预测航空涡轮盘在循环热-机蠕变-疲劳载荷谱下的蠕变-疲劳行为的数值流程,实现了对某型涡轮盘的蠕变-疲劳寿命的模拟和设计。结果表明：该涡轮盘在4 h巡航的服役过程中蠕变-疲劳损伤危险区主要集中在榫槽底部,靠近榫槽的盘缘和盘体的形状突变区;榫槽端由于温度较高,应力集中程度也高,总损伤最大,呈现蠕变损伤主导的情况;盘心区温度较低主要以疲劳损伤为主;涡轮盘最大损伤随单次飞行的巡航时间而增加,并逐渐从疲劳主导过渡到蠕变主导。论文研究成果可为航空发动机涡轮盘的长寿命、高可靠设计提供重要参考。     

单晶涡轮叶片的蠕变计算分析

介绍了DD3单晶叶片的蠕变计算分析方法,并用非线性有限元程序ANSYS对某型号发动机的涡轮叶片作了蠕变计算。同时分析了单晶材料的工程常数对蠕变的应力,蠕变应变和位移的影响,并与国外相应的单晶材料的计算结果作了对比分析。从计算结果分析说明DD3材料的单晶叶片抗蠕变性能是优异的。这对单晶叶片的选材和设计有其重要参考价值。     

2024T4铝合金蠕变本构关系研究

设计了一种简易单向拉伸蠕变试验装置,对2024T4铝合金在175℃、多个应力水平下的单向拉伸蠕变进行了试验。根据试验数据的特点,将2024T4铝合金的蠕变本构关系分解为由一个双指数函数和一个一次函数组成的两分量表达式,并利用试验数据通过最小二乘拟合确定出本构关系中的待定参数,得到2024T4铝合金175℃时的本构关系。通过对拟合数据与试验数据的对比分析表明,所建立的蠕变本构关系能够有效表征2024T4铝合金175℃时在不同应力水平下的蠕变行为。     

服役工作条件对涡轮转子叶片蠕变寿命的影响

基于Larson-Miller蠕变寿命理论,定量地分析了高压涡轮相对转速、飞行高度H、径向温度分布系数(RTDF)偏离设计状态时对涡轮转子叶片蠕变寿命的影响.结果表明:以叶根位置来看,高压涡轮相对转速从参考状态减小2%,导致叶片温度减小6%,叶片应力减小6%,使蠕变寿命因子从1增大到186.H增大导致叶片温度增大、叶片应力减小.从叶根位置来看,在温度和应力的综合作用下,H偏离参考状态时,蠕变寿命因子减小;而远离叶根位置,温度对蠕变寿命因子的影响越来越大,蠕变寿命因子随着H的减小而增大.RTDF减小导致叶片温度减小,使蠕变寿命因子随之增大.      

涡轮叶片的循环蠕变分析

研究了航空发动机一级涡轮叶片的蠕变行为。对叶片的危险区作了静载恒温蠕变计算和变温变载蠕变计算。其结果是静载恒温蠕变和实验结果一致;其循环蠕变变形略小于静蠕变变形。变温变载下叶片的蠕变寿命可用静载恒温蠕变进行预估。      

考虑温度效应的干纤维预制体压缩蠕变模型

纤维织物预制体蠕变/回复行为的描述对于模拟复合材料的制造过程至关重要。为分析与预测CF3031干纤维预制体在预成型过程中的厚向变形行为，进行了干纤维预制体的蠕变/回复实验，并对实验结果进行计算分析，建立了材料本构模型。首先，采用最小二乘法原理和叠加原理对比分析不同蠕变计算模型对CF3031干纤维预制体蠕变/回复实验数据的蠕变部分及整体拟合效果。结果表明，Burgers模型整体计算效果优于其他模型。而后，在传统Burgers模型的基础上，提出了1个单方程形式且适用于不同的蠕变应力和预成型温度的材料模型，用于描述干纤维织物预制件时间依赖性的厚向蠕变/回复行为。模型系数根据实验数据分析及最小二乘法获取。最后，将建立的本构模型用于预测新设计的实验结果，结果显示实验曲线与模型预测曲线基本吻合，证明了该方法的有效性。     

蠕变时效成形的关键技术及应用

蠕变时效成形是实现大型蒙皮和壁板件成形的有效方法。分析了蠕变时效成形的原理,结合试验分析了蠕变时效成形的实际效果,详细论述了载荷施加方式和型面确定方法等关键技术,并阐述了蠕变时效成形可能的应用领域和应用前景。     

时间硬化蠕变本构方程耦合损伤的应用研究

使用时间硬化的蠕变方程,考虑各向同性蠕变损伤,采用应变等效原理,推导出时间硬化形式的多轴蠕变损伤方程,经过一维简化,提出了通过单轴蠕变实验确定材料参数的方法,并用来确定镍基高温合金Udimet720Li在两个不同温度下的蠕变和损伤参数。通过有限元计算并与实验数据进行了对比,验证了耦合损伤的多轴蠕变方程以及材料参数确定方法应用于实际的可行性。      

2D-C_f/SiC复合材料蠕变断裂及损伤机理研究

研究了2D-C_f/Si C复合材料在空气中,温度分别为700℃和900℃,蠕变应力分别为50MPa、75MPa和100MPa条件下的蠕变断裂及损伤机理。运用拉森-米勒参数法拟合材料的蠕变断裂时间,使用扫描电子显微镜分析其微观组织和断口形貌以进一步揭示其蠕变断裂机理。结果表明:2D-C_f/Si C复合材料的蠕变断裂寿命与温度和应力密切相关,较高温度或应力会降低材料的蠕变断裂寿命;在蠕变过程中,材料除发生应力损伤外,还会发生氧化损伤;2D-C_f/Si C复合材料的氧化损伤比应力损伤对蠕变断裂时间有更显著的影响。     

Non-isothermal creep age forming of Al-Cu-Li alloy: Experiment and modelling

Non-isothermal Creep Age Forming (CAF), including loading, heating, holding, cooling and springback stages, is an advanced forming technique for manufacturing high performance large integral panels at short production period and low cost. However, the creep deformation and aging precipitation during heating stage is often neglected in experiments and modeling, leading to low forming precision. To achieve shape forming and property tailoring simultaneously, a deep understanding of the non-isothermal creep aging behavior and the establishment of predictive models are urgently required. A new five-stage creep feature of Al-Cu-Li alloy during the non-isothermal creep aging is observed. The microstructural interactions between the dislocations, solute atoms, Guinier Preston zones (GP zones) and T₁ precipitates are found to dominate the five-stage creep aging behavior. The physical-based model considering temperature evolution history is established to describe the five-stage creep feature. The springback and yield strength of non-isothermal creep age formed plates with different thicknesses are predicted and compared by non-isothermal CAF experiments and corresponding simulations. The CAF experiments show that the springback and yield strength of the non-isothermal creep age formed plate are 62.1% and 506 MPa, respectively. Simulation results are in good agreement with experimental results. The proposed model broadens the application of traditional CAF models that mainly focus on isothermal conditions.     

三维编织复合材料蠕变行为的试验研究

对不同编织结构、不同编织角、不同纤维体积含量和不同应力水平下的三维编织复合材料试件进行了蠕变测试实验,研究了三维编织复合材料的蠕变性能.结果表明,三维四向编织复合材料的蠕变性能低于五向编织复合材料;编织角小的材料抗蠕变性能较好;纤维体积含量高的材料抗蠕变性能较好.并且材料所受应力水平越高,蠕变速率越高.此外,还表明幂指函数可以较好地拟合三维编织复合材料的蠕变曲线.     

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...     

镍基单晶合金涡轮叶片蠕变分析的MARC用户子程序开发

基于通用有限元软件MARC开发了用于模拟单晶合金材料蠕变性能的用户子程序CRPLAW。该子程序采用经典Norton蠕变本构方程，可以模拟单晶材料在不同温度和不同取向下的蠕变性能。利用CRPLAW对镍基单晶叶片进行蠕变分析，得到了较为满意的结果。通过修改蠕变参数，CRPLAW也可以用来模拟其它晶体合金的蠕变性能。     

疲劳／蠕变复合作用下聚碳酸酯的交互损伤研究

探讨了在疲劳/蠕变复合作用下聚碳酸酯的损伤交互作用。结果表明,在疲劳/蠕变复合作用下聚碳酸酯存在疲劳和蠕变的交互损伤,其断裂寿命比纯疲劳或纯蠕变的断裂寿命低;断裂机制是由于疲劳循环载荷周期变化导致分子链和链段伸长/收缩往复运动,使在蠕变单向外力作用中受阻的分子链和链段松动和活化,从而促进蠕变运动和断裂。并且,疲劳/蠕变的交互损伤程度与温度密切相关。聚碳酸酯在较低温度的疲劳/蠕变交互损伤作用大于较高温度的交互损伤作用。随温度升高,疲劳/蠕变断裂寿命下降是疲劳和蠕变各自的单独损伤增加所致。     

Dependence of creep age formability on initial temper of an Al-Zn-Mg-Cu alloy

The initial temper of the material may directly affect the whole creep age forming(CAF)process. In terms of creep deformation and stress relaxation, using the constant-stress creep aging and constant-strain stress relaxation aging tests, the relationship between initial temper and CAF formability is investigated for an Al-Zn-Mg-Cu alloy at 165 °C for 18 h. Three tempers are selected as the initial tempers in CAF, viz., solution, retrogression and re-solution. The CAF formability of this alloy with initial temper of retrogression is the best, and the creep strain of the retrogression tempered specimen after creep aging of 18 h is about 1.21 and 1.34 times than that of the solution and the re-solution tempered specimens, respectively. The calculated stress exponents of this alloy with three initial tempers range from 7.3 to 9.5, indicating that the CAF of this alloy is mainly controlled by the dislocation creep. The various formability for three initial tempers are attributed to different inhibitions of the transgranular precipitates on the dislocation movement. For the retrogression temper, the initial fine and uniformly distributed precipitates are seriously coarsened after6 h of CAF, which minimally inhibit the dislocation movement. While, for the re-solution temper,the fine precipitates are re-precipitated in the matrix of the alloy, which observably hinder the dislocation movement and lead to the worst formability.     

金属间化合物TiAl(W,Si)合金的蠕变行为和机制

 研究了 Ti-47Al-2 W-0.5 Si合金在 650～ 750℃区间的蠕变行为和变形机制。结果表明,合金 650℃蠕变寿命与施加应力之间符合线性的双对数关系,可用表达式 lg^t_f=10 lg^R+30来描述。蠕变寿命与最小蠕变速率之间满足 Monkman-Grant关系的修正式。合金的比蠕变强度与抗热腐蚀镍基高温合金 K438G相当。在700℃变载荷下蠕变时具有与恒载荷下蠕变相类似的特征。 800℃长期时效粗化合金组织,降低蠕变寿命。位错滑移和形变孪生是合金蠕变的主要变形机制。     

DZ125光滑试样与小孔构件低循环/保载疲劳寿命建模

依据定向结晶合金DZ125光滑试样的低循环/保载疲劳试验寿命数据,提出一种预测定向结晶合金低循环/保载疲劳寿命的模型.此寿命模型可以同时考虑材料的晶向、平均应力、应变范围、应变比、最大应力对寿命的影响.接着研究DZ125合金光滑试样低循环/保载疲劳寿命与小孔构件低循环/保载疲劳寿命的关系,提出一种从光滑试样低循环/保载疲劳寿命数据预测小孔构件低循环/保载疲劳寿命的方法.应用本文提出的寿命模型,预测DZ125带小孔构件的低循环/保载疲劳寿命,并将预测寿命与小孔构件试验寿命对比,误差在2倍分散带左右.