本發(fā)明涉及一種壁厚敏感的鎳基單晶合金不同相位角TMF壽命預(yù)測方法，其步驟為：(1)開展不同壁厚標(biāo)準(zhǔn)件蠕變試驗，建立反映薄壁效應(yīng)的高溫拉伸導(dǎo)致的時間相關(guān)損傷模型；(2)開展不同壁厚標(biāo)準(zhǔn)件低循環(huán)疲勞試驗，建立反映薄壁效應(yīng)的循環(huán)相關(guān)損傷模型；(3)在步驟(2)基礎(chǔ)上，開展不同壁厚標(biāo)準(zhǔn)件只含壓縮保載的蠕變?疲勞試驗，建立反映薄壁效應(yīng)的高溫壓縮導(dǎo)致的時間相關(guān)損傷模型；(4)引入有效溫度衡量TMF中變化的溫度，結(jié)合非線性損傷累積理論，表征TMF損傷；(5)考慮TMF中溫度梯度的影響，建立反映薄壁效應(yīng)和溫度梯度影響的TMF損傷模型，實現(xiàn)不同壁厚標(biāo)準(zhǔn)件不同相位角TMF壽命預(yù)測。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種壁厚敏感的鎳基單晶合金不同相位角TMF壽命預(yù)測方法，主要用于鎳基單晶合金TMF壽命預(yù)測，為鎳基單晶合金構(gòu)件(如鎳基單晶渦輪葉片)的壽命設(shè)計與評估奠定基礎(chǔ)，屬于材料高溫力學(xué)性能預(yù)測及航空發(fā)動機技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

渦輪葉片是航空發(fā)動機的重要部件之一，具有結(jié)構(gòu)和載荷的雙重復(fù)雜性，其壽命和可靠性對發(fā)動機的安全工作具有重大影響。相比于傳統(tǒng)的等軸晶高溫合金、定向凝固高溫合金，鎳基單晶合金通過消除高溫下易發(fā)生破壞的晶界極大地提升了其高溫綜合性能，廣泛用于先進(jìn)航空發(fā)動機渦輪葉片制造。由于渦輪葉片服役時需承受發(fā)動機啟動、停車以及不規(guī)則機動帶來的交變離心力載荷和熱載荷，不可避免地發(fā)生TMF失效，研究表明：TMF是渦輪葉片葉身部位的主要失效模式之一。此外，為了提高冷卻效率并降低重量，目前普遍采用的渦輪葉片已由傳統(tǒng)實心結(jié)構(gòu)發(fā)展到具有復(fù)雜內(nèi)腔的空心薄壁結(jié)構(gòu)，其尺寸與傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)試件存在較大差異。已有研究表明：鎳基單晶合金具有明顯的薄壁效應(yīng)，即使在化學(xué)成分、晶體取向、微觀組織和試驗環(huán)境相同的條件下，試件尺寸依然對鎳基單晶合金的力學(xué)性能具有較大影響，這種薄壁效應(yīng)使得基于傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)試件試驗結(jié)果建立的理論模型難以準(zhǔn)確評估真實渦輪葉片的力學(xué)性能。因此，需要在鎳基單晶合金TMF壽命預(yù)測中充分考慮薄壁效應(yīng)的影響。

當(dāng)前，反映薄壁效應(yīng)的壽命預(yù)測方法可以分為兩類：

(1)第一類方法：試件高溫斷裂過程與表面氧化層的產(chǎn)生有密切關(guān)系，氧化層的形成會使試件的有效承載面積減少、承受的有效應(yīng)力增加，且表面氧化通常對較薄試件影響更大；通過量化表面氧化對不同壁厚標(biāo)準(zhǔn)件的影響規(guī)律、建立有效應(yīng)力與壁厚的關(guān)系，并將有效應(yīng)力帶入傳統(tǒng)壽命模型中，可以實現(xiàn)不同壁厚標(biāo)準(zhǔn)件壽命預(yù)測(張麗,于慧臣,郭廣平,等.[001]取向DD6單晶合金的薄壁試樣持久性能與斷裂行為[J].航空動力學(xué)報,2019,34:122-129)。

(2)第二類方法：直接建立壁厚尺寸相關(guān)的壽命模型或損傷模型，從而實現(xiàn)不同壁厚標(biāo)準(zhǔn)件壽命預(yù)測(韓建鋒.鎳基單晶合金蠕變試樣的尺寸效應(yīng)及筏化的研究[D].西北工業(yè)大學(xué),2011)。

目前，反映薄壁效應(yīng)的壽命預(yù)測方法主要針對蠕變載荷。通常認(rèn)為：蠕變損傷屬于時間相關(guān)損傷，而TMF損傷不僅包含時間相關(guān)損傷，還包含了循環(huán)相關(guān)損傷，不同損傷的交互作用是導(dǎo)致TMF失效的主要原因，且不同相位角下的損傷累積是不同的。因此，現(xiàn)有反映薄壁效應(yīng)的蠕變壽命預(yù)測方法難以預(yù)測不同相位角下鎳基單晶合金的TMF壽命。

本發(fā)明針對鎳基單晶合金IP-TMF和OP-TMF，量化了薄壁效應(yīng)對鎳基單晶合金IP-TMF和OP-TMF壽命的影響，結(jié)合非線性損傷累積理論，建立了一種新的壁厚敏感的鎳基單晶合金不同相位角TMF壽命預(yù)測方法，能夠?qū)崿F(xiàn)不同壁厚鎳基單晶合金標(biāo)準(zhǔn)件IP-TMF和OP-TMF壽命的準(zhǔn)確預(yù)測。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明技術(shù)解決方案：一種壁厚敏感的鎳基單晶合金不同相位角TMF壽命預(yù)測方法，能夠?qū)崿F(xiàn)不同壁厚鎳基單晶合金標(biāo)準(zhǔn)件IP-TMF和OP-TMF壽命的準(zhǔn)確預(yù)測，具體實現(xiàn)步驟如下：

第一步，采用高溫蠕變試驗機開展不同壁厚鎳基單晶合金標(biāo)準(zhǔn)件高溫蠕變試驗，試驗溫度通常高于700℃，根據(jù)蠕變壽命試驗結(jié)果建立反映薄壁效應(yīng)的高溫拉伸導(dǎo)致的時間相關(guān)損傷模型。