镍基单晶合金超温超载蠕变性能研究

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涡轮叶片作为航空发动机的核心热端部件,在一定程度上决定航空发动机的性能。国内外对发动机涡轮叶片提前失效的原因分析表明,超温超载是其中重要的原因之一。超温是指由于非正常工况引起的超过其正常工作温度,使零部件遭受过热或过烧的现象。超温过程常伴随着材料组织性能改变、构件变形增大等,以至显著降低涡轮叶片强度和寿命。同时,发动机在不同的工作状态下,其转速变化直接引起叶片载荷的变化,在发动机完整的工作循环中,实际上有多次超载循环发生,这种超载效应对叶片材料的损伤和寿命是有影响的。因此,研究超温超载对涡轮叶片使用性能与寿命的影响,已经成为我国航发自主研发和安全经济服役不可或缺的工作。基于上述原因,本文的主要研究工作如下:1.开展了不同超温时刻tpre下的超温蠕变试验,并对其蠕变特性及变形机制进行了研究。从测试所得数据分析得到材料微观结构所发生的细微变化及演化规律,揭示超温对材料蠕变性能影响的细微观机理。引入连续损伤演化和材料硬化,通过内部变量位错密度和基体通道宽度,在晶体塑性理论的框架下提出了一个改进的蠕变本构模型。对镍基单晶高温合金在不同tpre下的超温蠕变行为进行了模拟,与试验结果对比表明,该模型可以较好地反映镍基单晶高温合金超温条件下的蠕变行为。2.开展了不同超温温度Tover(1050℃、1100℃和1150℃)及超温蠕变时间tover(30min、45min和60min)下的超温蠕变试验。分析研究了超温温度Tover及超温时间tover对蠕变性能和变形机理的影响规律,并通过SEM完成对试样断裂后的宏微观断口分析及超温试验过程中的微观演化规律。最后,考虑超温温度Tover和超温时间tover对基体通道宽度和位错密度的影响,对第二章提出的本构模型进行改进,并对不同超温温度Tover和超温时间tover下的蠕变行为进行模拟计算。3.开展了镍基单晶高温合金两种加载方式下的超载蠕变试验。加载方式A:研究了不同I阶段时间t (20h、40h、60h和80h)和II阶段应力σ(280MPa、300MPa和320MPa)对超载蠕变行为的影响;加载方式B:研究了不同的I阶段时间tI(20h和40h)、Ⅱ阶段时间t(20h和40h)和II阶段应力σ(300MPa和320MPa)对超载蠕变行为的影响。通过SEM观测了两种加载方式下超载试样蠕变断裂后的宏观断口及超载过程中γ/γ′两相的微观组织演化过程。4.引入内部状态变量弹性应变、塑性应变和损伤来描述系统的热力学不可逆过程,通过能量转换的方法推导出由损伤应变能释放率Y表示的各向异性蠕变损伤演化方程,并与晶体塑性理论相结合建立了一种新的蠕变本构模型。将该本构模型通过用户材料子程序Umat接口接入到有限元软件Abaqus中,采用超载蠕变的试验结果对提出的本构模型进行验证,并采用建立的模型对材料不同工况下的超载蠕变行为进行模拟以及寿命预测。5.基于前期超温超载蠕变行为的研究工作,本章开展了超温-超载相耦合的复杂环境下的蠕变行为研究。研究了温度和载荷的变化对材料蠕变行为的共同影响作用,并揭示了材料的损伤和失效机理。将超温-超载耦合蠕变行为分解为超温蠕变、超载蠕变以及二者耦合效应下的线性累积,并分别给出了三者对超温-超载耦合变形的影响机制。
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