鎳基單晶氣膜孔結(jié)構(gòu)疲勞性能研究.pdf

1、鎳基單晶氣膜孔結(jié)構(gòu)由于其優(yōu)良的高溫力學(xué)性能和冷卻效果,被廣泛的應(yīng)用于先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片制造。氣膜孔的存在破壞的葉片結(jié)構(gòu)的完整性,嚴(yán)重影響其強(qiáng)度、壽命。本文針對鎳基單晶氣膜孔結(jié)構(gòu)的加工鑄造、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其服役環(huán)境,采用試驗(yàn)研究、理論分析與有限元模擬的方法,開展氣膜孔結(jié)構(gòu)疲勞性能的研究,既有理論指導(dǎo)意義又用實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值,主要進(jìn)行了以下幾個(gè)方面的工作:
　　(1)對電火花、毫秒激光加工的鎳基單晶單個(gè)和多個(gè)氣膜孔平板試件進(jìn)行低周疲勞試驗(yàn)

2、,通過掃描電子顯微鏡的檢測分析,研究了再鑄層的結(jié)構(gòu)及其對疲勞壽命的影響,結(jié)果表明:加工氣膜孔產(chǎn)生的孔壁再鑄層外層為等軸晶,該部分C、O元素含量較高,與基體相鄰的內(nèi)層為胞狀晶;低周疲勞斷裂過程中會(huì)產(chǎn)生沿著再鑄層與基體交界面發(fā)展的裂紋;電火花加工氣膜孔產(chǎn)生的再鑄層厚度小于毫秒激光加工再鑄層的厚度;隨著再鑄層厚度的增加,試件的低周疲勞壽命不斷下降。
　　(2)采用二次元影像測量儀檢測氣膜孔的孔徑與圓度,對帶有不同圓度誤差氣膜孔的鎳基單晶

3、平板試件進(jìn)行了低周疲勞試驗(yàn),同時(shí)建立不同圓度的氣膜孔有限元模型,采用晶體塑性有限元法分析了模型的低周疲勞壽命和疲勞裂紋擴(kuò)展路徑,研究表明:疲勞起始階段,裂紋沿最大應(yīng)力梯度方向萌生并呈I形,穩(wěn)定擴(kuò)展階段,裂紋沿{111}滑移面開裂并呈 Z形,瞬斷階段,裂紋不再改變,試驗(yàn)與有限元分析相吻合;激光加工氣膜孔產(chǎn)生的圓度誤差會(huì)使得試件在高溫下的低周疲勞壽命顯著降低,約39.1％;氣膜孔的圓度誤差越小,試件的高溫低周疲勞壽命越大;試件的對數(shù)疲勞壽命

4、與氣膜孔的圓度誤差呈二次曲線關(guān)系。
　　(3)以不同曲率的單個(gè)氣膜孔彎曲薄壁結(jié)構(gòu)為對象,基于晶體滑移損傷理論對其進(jìn)行900℃/540MPa條件、[001]取向下疲勞性能的有限元研究,研究表明:彎曲結(jié)構(gòu)凸面的疲勞分切應(yīng)力集中更加明顯,疲勞損傷沿孔徑厚度方向分布不均,凸面的損傷大于凹面,曲率越大凸面的損傷越大,凹面則相反;隨著曲率半徑的增大,最大分切應(yīng)力值不斷降低而疲勞壽命逐漸增大;當(dāng)曲率半徑小于10mm時(shí),曲率對分切應(yīng)力及疲勞壽命的