镍基单晶高温合金热机械疲劳行为与寿命建模

通过DD6单晶薄壁管试样机械应变控制热机械疲劳(TMF)试验,获取温度交变、相位角以及载荷控制方式对单晶应力应变响应与疲劳寿命的影响规律。结果表明:温度交变会引起明显的应力不对称性并造成额外损伤,导致TMF寿命明显低于最高循环温度的等温疲劳(IF)寿命,并且反相(OP)循环寿命普遍要低于同等载荷的同相(IP)循环,这种寿命变化趋势与应力控制存在明显差异。采用Walker本构模型进行单晶材料在不同TMF循环下的滑移系黏塑性分析,构建单晶TMF损伤与滑移系细观应力应变参量的关联。在此基础上,选取最大Schmid应力、最大滑移剪应变率、滑移剪应变范围、循环Schmid应力比作为损伤参量,建立基于细观参量的TMF寿命模型,其对不同相位、不同载荷控制方式的TMF寿命预测精度均在2倍分散带内。      

凹坑型硬物损伤对TC4材料疲劳强度的影响

针对风扇/压气机叶片中叶盆/叶背遭受的硬物损伤(FOD)凹坑型损伤,进行了不同冲击角度下模拟FOD试验、损伤特征与应力集中分析,开展了冲击后不处理和冲击后去残余应力退火试样的高循环疲劳试验研究和疲劳强度的预测。结果表明:损伤深度和应力集中系数均随着冲击角度的增加而变大,损伤深度范围为0.1~0.5mm,应力集中系数范围为1.3~1.7。不同冲击角度条件下,凹坑型损伤试样疲劳强度相对光滑试样下降程度在50%~70%范围内,与应力集中系数并不是呈单调下降关系,最危险冲击角为60°。去残余应力退火后凹坑型损伤试样的高循环疲劳（HCF）性能有所提高,表明残余应力的影响程度不容忽略。去残余应力试样的HCF性能并不是随应力集中系数的增大而下降,验证了微结构损伤的影响,说明损伤深度作为制定可用极限或维修极限的唯一参量具有一定的局限性。对凹坑型损伤试样的疲劳强度的预测误差在±20%以内。      

镍基单晶高温合金DD6热机械疲劳试验

针对单晶气冷涡轮叶片的服役载荷特征,以镍基单晶高温合金DD6为对象,设计开展了薄壁圆管试样热机械疲劳(TMF)试验。结果表明:DD6变形响应呈现出明显的TMF棘轮效应,且与相位角、机械载荷水平等密切相关;在相同载荷条件下,同相(IP)TMF寿命总是明显短于反相(OP)。引入高温保载时间或增大机械载荷均会引起棘轮应变的明显增加,缩短结构寿命。结合断口和纵向切片分析,识别了不同载荷条件下影响单晶寿命的关键损伤因素,其中IP TMF主导损伤机理为蠕变和疲劳,而OP TMF主导损伤机理为氧化和疲劳。      

TC4钛合金惯性摩擦焊接过程的数值模拟

文摘基于ABAQUS有限元分析软件,建立了TC4钛合金的惯性摩擦焊(IFW)焊接过程的二维轴对称模型,通过确立Johnson-Cook损伤模型以及ALE技术对TC4钛合金的惯性摩擦焊焊接过程进行了热力耦合分析,发现TC4惯性摩擦焊在0.2 s内温度升高到200~300℃,0.5 s左右温度升高到1 100~1 200℃之后温度升高趋于平缓,到达峰值后温度缓慢下降,焊接完成。轴向缩短量在0.6 s内非常小,温度达1 100~1 200℃(0.6~1.2 s)轴向缩短量增长十分快并基本达到峰值,1.2~1.4 s由于粘结作用温度不再升高轴向缩短量增加缓慢,1.4 s后焊接基本完成轴向缩短量不再增加。初始阶段轴向应力基本没有变化,随着温度升高(0.2~0.5 s)压应力在中心区域增大,0.5~1.2 s内边缘形成拉应力,中心区域应力集中愈发明显,1.2 s后拉应力明显增加。而径向应力随着温度的升高中心应力明显高于外侧并使金属向两侧流动。这就可以得出飞边形成主要是因为高温、轴向应力以及径向应力共同复杂作用而形成的结果。模拟结果基本与实际相符,对提高惯性摩擦焊焊接质量提供了重要的参考作用。     

4D打印技术的研究进展

4D打印是实现对智能材料的增材制造技术。本文基于复合材料、形状记忆聚合物、形状记忆合金等材料简要综述了4D打印智能材料的研究进展。目前复合材料的4D打印向着多材料精确复合、响应速度快、成形材料功能化等方向发展;4D打印形状记忆聚合物则朝着形态可控、实现特定动作等方向发展;4D打印形状记忆合金,目前向着相转变行为精确调控、变形可控等方向发展。由于目前4D打印形状记忆合金存在诸多未解决的问题,本文提出了获得近全致密4D打印形状记忆合金需考虑的因素;成形孔隙对其综合性能的影响;组织性能调控;变形控制;性能指标调节的冗余度问题;需要突破的科学问题等相关思考。总体而言,随着新型原材料、成形方法、控制软件和机器精度的不断发展,4D打印技术发展迅速,正逐步走向智能化、精确化和高效化。     

TC4钛合金盘铣开槽加工残余应力

整体叶盘盘铣开槽加工过程中铣削力大,铣削温度高,会在加工表面表成较深的残余应力层,对零件的疲劳寿命造成严重影响。为提高零件的疲劳寿命,本文以钛合金试块为研究对象,利用残余应力测试分析系统测量表面残余应力,利用拨层法测量次表面的残余应力,采用线性回归技术建立残余应力预测模型,并利用极差分析法分析工艺参数对残余应力的影响规律。试验结果表明:盘铣表面均为压应力,且轮毂面上的残余应力大于叶盆叶背面上的残余应力,均由挤光效应引起;回归预测模型的显著性水平为0. 01,其回归效果良好;各因素对σAx、σAy(σAx、σAy分别表示轮毂面x、y方向残余应力)的影响程度依次为主轴转速>进给速度>切削深度;对σBx(σBx表示叶盆叶背面x方向上的残余应力)的影响程度依次为主轴转速>切削深度>进给速度;残余应力纵向均为压应力,轮毂面上的分布深度为230~270μm,叶盆叶背面上的分布深度为170~175μm。     

镍基高温合金GH4169孔挤压强化数值模拟方法及参数影响

为探究孔挤压工艺在镍基高温合金上的应用,建立了镍基高温合金GH4169孔挤压工艺的数值模拟方法,并通过试验验证了方法的有效性,讨论了芯棒材料、挤压量和摩擦因数对周向残余应力分布的影响规律。结果表明:GH4169的挤压量上限为186%,并得到了挤压量和摩擦因数的优选范围;残余压应力层的深度受挤压量控制,在挤入面和挤出面都与挤压量呈正相关的线性关系,但存在最佳挤压量;挤压过程中芯棒会发生塑性变形,选材时要综合考虑芯棒的屈服强度和强度极限;摩擦因数仅影响孔边的残余应力分布,润滑不良时挤出面会因材料堆积而成为危险截面。     

FGH96粉末高温合金亚尺寸轮盘研制及试验验证

粉末高温合金涡轮盘是高推重比航空发动机研制的关键。由于粉末高温合金材料的特殊性,为了保证粉末高温合金轮盘的可靠性,需要修正传统轮盘强度和低循环疲劳寿命设计技术并进行验证。本文设计了亚尺寸结构的粉末高温合金轮盘,并对其进行了计算及分析,最后在试验器上进行了试验验证。该亚尺寸轮盘研制成功对高推重比涡轮盘的研制有重要意义。     

TC4钛合金电子束焊接焦点动态变化特性研究

为了探索电子束深熔穿透焊接原理,针对20mm厚TC4钛合金中厚板材开展了电子束焊接工艺实验,分析了电子束焊接过程焦点动态变化特性,研究了焊接速度、工作距离对电子束焊接焦点动态变化特性的影响.结果表明,随着焊接速度增加,临界穿透束流增大,焦点动态变化特征曲线上移;随着工作距离的增加,动态焦点逐渐向下移动;保持其他参数恒定,随着聚焦电流增加,电子束焦点动态变化,焊缝形貌由钉形向钟罩形过渡.     

镍基单晶合金中空穴绕夹杂形核及后续演化的有限元分析

 采用内聚力单元模拟镍基单晶合金中基体与夹杂之间的界面,对镍基单晶合金中空穴绕夹杂形核及扩张的过程进行了初步的分析。夹杂-基体界面的粘结强度不同,空穴的相对体积分数增长速度存在较大差异。粘结强度越小,空穴越容易形核,空穴扩张的速率越大;粘结强度越大,空穴越难于形核,空穴扩张的速率越小。应力三维度是空穴形核及扩张的主要驱动力,应力三维度越高,空穴形核及扩张的速率越大。应力三维度不同时,基体-夹杂界面开裂的初始位置及裂纹扩展的方式不同。在高应力三维度下空穴的演化由低应力三维度时的形状改变为主变为体积膨胀为主。Lode参数对空穴的形核过程及空穴形成后的扩张有着显著的影响。晶体取向对空穴的形核过程有着显著的影响,不同取向时基体-夹杂界面开裂的初始位置及裂纹扩展的方式不同。晶体取向对空穴的扩张有着显著的影响。在考虑镍基单晶合金的晶体取向相关性时,必须同时考虑Schmid系数、弹性模量和开动的滑移系。