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【EFA】高温合金多轴应力下蠕变寿命统一预测方法及断裂机理
发表时间:2023-08-10 阅读次数:263次

引文格式:

GB/T 7714      

Zhang D, Lv M, Wen Z. A unified creep life prediction method and fracture mechanism of high-temperature alloys under multiaxial stress[J]. Engineering Failure Analysis, 2023, 149: 107262.

MLA      

Zhang, Dongxu, Lv, Menghui and Wen, Zhixun. "A unified creep life prediction method and fracture mechanism of high-temperature alloys under multiaxial stress." Engineering Failure Analysis 149 (2023): 107262.

APA      

Zhang, D., Lv, M., & Wen, Z. (2023). A unified creep life prediction method and fracture mechanism of high-temperature alloys under multiaxial stress. Engineering Failure Analysis, 149, 107262.

 

 

背景简介

航空发动机在工作过程中,涡轮盘受到高温、高压、高速载荷的作用,其断裂失效多发生在沟槽连接处。作为高负荷的热端部件,影响槽连接寿命的因素很多,包括高温和长期运行下的蠕变变形和断裂、工况反复变化引起的低周疲劳、振动引起的高周疲劳、高温气体腐蚀、氧化等。通常,蠕变断裂和低周疲劳在这些失效中起决定性作用。对于涡轮盘中的沟槽连接,其工作温度比叶片低,但容易进入塑性状态(如榫头根部、盘中心等),影响发动机运行的安全性。因此,有必要重点研究涡轮盘的蠕变行为。

涡轮盘槽连接存在不同尺寸的缺口结构,涡轮盘在多轴应力作用下存在许多相似结构。然而,描述单轴应力状态的材料数据主要用于工程设计。双轴加载和三轴加载状态下蠕变空洞的形成与单轴加载状态下有显著差异。因此,了解材料在多轴应力状态下的力学行为和寿命特性是很重要的。

 

成果介绍

(1)设计了五种具有不同缺口形式的缺口试样,反映GH4169在多轴应力状态下的蠕变性能。根据缺口和光滑的蠕变试验结果显示,光滑试样的蠕变断裂寿命明显低于缺口试样,表明缺口增强了GH4169高温合金的抗蠕变变形能力,且随着缺口半径减小,强化效果更加明显(表1)。当缺口半径为1mm时,阻力强化效果趋于饱和。

(2)从断口分析可以看出,图1(a-a׳)中可以看出,光滑试样的蠕变断口形貌由穿晶韧窝组成,与试样边缘相比,试样中心的韧窝更多。图1(c-c׳)和图1(d-d׳)表明缺口半径较大时缺口中心区域存在数量大而深的韧窝且缺口中心存在少数穿晶韧窝,缺口半径较小时缺口根部韧窝相对较浅但形成了穿晶韧窝。因此,随着缺口半径的减小,蠕变延性较低,蠕变断裂机制趋于由韧性断裂向脆性断裂转变。

图1 650℃/750MPa蠕变试验后试样的断口形貌

(3)通过对大量不同尺寸缺口的模拟研究,改进了对缺口锐度的描述,给出骨点对缺口根部的距离与缺口锐度比之间的关系,并得出当缺口深度比小于等于0.28时,骨架点位置与缺口深度比无关。用改进后的骨点应力法可以统一地近似预测不同尺寸c型缺口结构的蠕变断裂寿命,同时相对于传统骨点应力法大幅度节约了求解过程中的模型数量。

图2 (a)不同缺口大小的骨点位置分布曲线;(b)预测点位置与其他研究的对比

 

致谢

该研究工作得到了国家自然科学基金、陕西省自然科学基金的支持。本文通讯作者:张冬旭(陕西科技大学)。

本期小编:华飞龙(整理)

徐浩波(审核)

王康康(审核)

闵 琳(发布)