鎳基單晶多軸蠕變斷裂機(jī)理及壽命預(yù)測研究.pdf

1、鎳基單晶高溫合金具有優(yōu)越的高溫性能，是當(dāng)今和今后一段時間國內(nèi)外先進(jìn)發(fā)動機(jī)不可缺少和替代的熱端部件結(jié)構(gòu)材料。目前國內(nèi)外航空發(fā)動機(jī)渦輪葉片都是采用鎳基單晶材料，渦輪葉片在服役環(huán)境下，主要承受離心力、溫度和氣動力等載荷。其中離心力導(dǎo)致的葉片蠕變變形和葉片故障一直是科研工作者關(guān)注的重點(diǎn)問題，雖然我國對鎳基單晶材料的一些基本力學(xué)性能的研究已經(jīng)取得了一定的成果，但仍不能滿足航空工業(yè)發(fā)展的需要，且對于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的蠕變性能測試和研究一直處于空白狀態(tài)

2、，遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國家的研究水平。因此對鎳基單晶高溫合金材料開展蠕變試驗(yàn)和理論研究具有十分重要的工程應(yīng)用價值?；谏鲜鲈?，本文主要進(jìn)行了以下方面的研究工作：
　　1.基于晶體滑移理論的損傷蠕變模型，建立了考慮鎳基單晶蠕變各向異性特點(diǎn)的理論模型，將本構(gòu)模型編入有限元ABAQUS子程序UMAT中，以頸縮變形確定開動滑移系為基礎(chǔ)，用[001]、[111]晶體取向的蠕變試驗(yàn)曲線確定八面體滑移系和六面體滑移系的模型參數(shù)，最后用[011]取向

3、的試驗(yàn)結(jié)果對新模型進(jìn)行了考核驗(yàn)證?？紤]塑性變形，提出了適合于多軸應(yīng)力下的晶體塑性蠕變損傷模型。2.采用V型缺口試樣實(shí)現(xiàn)三軸應(yīng)力狀態(tài)的蠕變力學(xué)行為研究，以單軸蠕變試樣作為對比和蠕變模型參數(shù)的確定。通過 SEM電子掃描電鏡對兩種試樣形式的斷口進(jìn)行宏觀和微觀的觀察，建立高溫下鎳基單晶合金的單軸和多軸應(yīng)力狀態(tài)下蠕變斷裂機(jī)理和微結(jié)構(gòu)演化機(jī)理。采用單胞模型，計(jì)算了不同應(yīng)力三軸度下孔洞的長大率，分析了多軸應(yīng)力下蠕變?nèi)笨趶?qiáng)化作用機(jī)制。
　　3.進(jìn)

4、行了鎳基單晶高溫合金在單軸與多軸應(yīng)力狀態(tài)下的蠕變各向異性研究。采用光滑件和缺口圓棒試樣進(jìn)行了三種不同取向980℃/400MPa的高溫蠕變試驗(yàn)?；谌渥冏冃吻€、宏觀和微觀組織分析，研究了溫度、應(yīng)力水平和缺口的存在對蠕變各向異性程度的影響。結(jié)合宏觀斷口和有限元計(jì)算，分析了鎳基單晶材料的蠕變變形和斷裂特征的取向相關(guān)性特征。
　　4.基于光滑、缺口圓棒蠕變試驗(yàn)和晶體塑性蠕變損傷本構(gòu)，研究了鎳基單晶高溫合金V型缺口圓棒試樣在1100℃/1

5、60 MPa和200 MPa下的蠕變斷裂壽命預(yù)測方法。采用參考應(yīng)力法和晶體塑性理論結(jié)合的方法，分析了缺口應(yīng)力重分布隨蠕變時間的變化規(guī)律，提出了單軸和多軸應(yīng)力狀態(tài)下的蠕變壽命預(yù)測方法。
　　5.進(jìn)行了某型號鎳基單晶冷卻渦輪葉片模擬件的高溫蠕變試驗(yàn)，包括薄壁平板帶氣膜孔試樣和薄壁圓管帶氣膜孔試樣。對薄壁平板帶孔進(jìn)行了980℃/300 MPa三種晶體取向（[001]/[011]/[111]）的蠕變試驗(yàn)，采用光滑平板同溫度同應(yīng)力條件下的試

6、驗(yàn)進(jìn)行對比分析，分析了溫度、取向和應(yīng)力狀態(tài)對高溫蠕變性能的影響，包括蠕變壽命、蠕變速率和蠕變各向異性等。通過宏微觀形貌的觀察，研究平板蠕變斷裂機(jī)理和筏化機(jī)理，并考慮晶體取向和多軸應(yīng)力狀態(tài)對它們的影響機(jī)制。對[001]取向的薄壁圓管試樣進(jìn)行了900℃/500 MPa條件下的蠕變試驗(yàn)，同時進(jìn)行光滑件試驗(yàn)作為對比，分析了多孔對鎳基單晶合金蠕變斷裂的影響，基于晶體滑移理論采用改進(jìn)的蠕變損傷方程，采用雙參數(shù)和八面體滑移系開動，模擬了薄壁圓管帶氣膜