粉末冶金涡轮盘裂纹扩展寿命分析

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1、万方数据2008年12月第29卷第6期推进技术JOURNAI．OFPROPUI,SIONTECHNOLOGYDec．2008V01．29NO．6粉末冶金涡轮盘裂纹扩展寿命分析水魏大盛，王延荣(北京航空航天大学能源与动力工程学院，北京100083)摘要：采用．，积分方法建立了断裂力学有限元模型，对FGH95粉末高温合金标准紧凑拉伸(CT)试样的裂纹扩展试验结果进行了数值模拟，分析了材料的裂纹扩展规律。计算结果与试验结果吻合很好，表明．r分析方法的准确性及可行性。将该方法加以拓展，建立了含有不同尺寸缺陷的粉末盘断裂力学有限元模型，并对其裂纹扩展寿命进行了评估。与传统预

2、测方法相比，该方法将给出更为实际的结果，可应用于复杂构件裂纹扩展特性的工程分析。关键词：粉末冶金；裂纹扩展；应力强度因子；缺陷；涡轮盘中图分类号：V231．95文献标识码：A文章编号：1001-4055(2008)06-0753-06LifingmethodologyofcrackpropagationinpowdermetallurgyturbinediskWEIDa—sheng，WANGYan-rong(Coll．ofEnergyandPowerEngineering，BeOingUniv．ofAeronauticsandAstronautics，Beijin

3、g100083，China)Abstract：AfiniteelementmodeloffracturemechanicswasestablishedbymeansofJintegralmethod，whichwasusedtosimulatethecrackpropagationbehaviorofapowdermetallurgy(PM)superalloy，FGH95．Agreementofthecomputingre—suitswiththeexperimentaldataindicatedtheveracityandthefeasibilityofthe

4、method．Thefiniteelementmodelcouldbede—yclepedtopredictthepropagationlifeofPMturbinediskcontainingdefectswithdifferentsizes．Comparingwithconventionalpredictionmethodforpropagationlife，themodelwouldgiveanactualvalue，andthatcouldbeusedtoestimatethecrackgrowthcharacteristicofcomplicatedco

5、mponenteffectivelyinengineeringanalysis．Keywords：Powdermetallurgy；Crackpropagation；Stressintensityfactor；Defect；Turbinedisk1引言粉末高温合金性能上的优势与缺点同样明显。一方面，合金组织均匀性好，可塑性强，生产成本低，在航空发动机涡轮盘650oC使用条件下，其强度远远高于传统铸造、变形高温合金；另一方面，合金韧性低，对缺陷十分敏感，且粉末冶金工艺的特殊性又容易导致在最后成型的构件中包含夹杂、气孔，加上机械加工划痕，这些缺陷在疲劳载荷作用下极易成

6、为裂纹萌生点，降低疲劳寿命¨“1。一般而言，粉末冶金涡轮盘的疲劳寿命主要集中在裂纹萌生阶段，微缺陷存在时，萌生寿命实际上就是微裂纹的扩展寿命。因此，分析缺陷对粉末盘裂纹扩展寿命的影响，对其工程应用具有重要意义。目前国内外针对动态裂纹扩展的数值模拟开展了大量的研究工作，但多限于简单试件或简单载荷条件¨“⋯，如何合理地应用于具有复杂型面、承受复杂载荷的构件还没有较为成熟的方法。鉴于此，本文基于线弹性断裂力学探索了一条分析含缺陷粉末盘裂纹扩展寿命的有效途径。首先，开展了标准CT试样的裂纹扩展试验，获得了Paris公式常数，为粉末盘的裂纹扩展寿命分析提供数据基础，同时为考

7、核所发展的断裂力学有限元计算模型的准确性及计算精度，对裂纹扩展试验的结果进行了数值模拟；其次，考核了·收稿日期：2007．12-04；修订日期：2008-02-26。作者简介：魏大盛(1978一)，男，博上后，研究领域为航窄发动机结构强度。E—mail：dasheng．w@163．com万方数据754推进技术2008年有限元法对三维裂纹应力强度因子的求解精度；再次，建立了含缺陷粉末盘的断裂力学有限元模型，对其扩展寿命进行了评估。需要说明的是，微缺陷尺度通常在50—100p,m，属于小裂纹范畴。对Ineonel718，PMRene95，PMINl00等几种材料进行的

8、小裂纹扩展