定向凝固涡轮叶片高温低周疲劳的破坏特点

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaFeb．252011V01．32No．2337—343ISSN1000—6893CN11—1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．cn文章编号：1000—6893(2011)02—0337—07定向凝固涡轮叶片高温低周疲劳的破坏特点孙瑞杰，闰晓军*，聂景旭北京航空航天大学能源与动力工程学院，北京100191摘要：针对几何形状完全相同但材料不同的两种涡轮叶片，采用相同的试验方法进行高温低周疲劳试验，普通铸造K403合金叶片和定向凝固DZ22

2、B合金叶片却在不同的部位破坏，K403合金叶片在试验考核的榫齿部位断裂，而DZ22B合金叶片的榫齿在叶身根部断裂前均未出现裂纹。为了解释上述试验结果，展开了两类叶片试验条件应力场的有限元分析和定向凝同叶片晶粒形貌的数值模拟。研究结果表明：相同几何结构的普通铸造叶片和定向凝固叶片，其应力分布趋势相似，应力峰值均出现在叶片第一榫齿处；定向凝固叶片的失效模式与普通铸造叶片不同，其破坏不仅与应力场分布有关，而且受叶片各部位的晶粒形貌影响，叶片的失效不一定发生在应力最大的部位。关键词：涡轮叶片；定向凝固；低周疲劳；有限元方法；晶粒中图分类号：V252；V231．95文献

3、标识码：A定向凝固涡轮叶片通过对叶片结晶过程的严格控制，获得沿<001>方向(即叶片径向)生长的柱状晶组织，减少了因横向晶界存在而引起的晶间断裂等不利因素，从而使得叶片径向具有比普通精密铸造叶片更好的高温力学性能，显著提高了叶片的使用寿命和可靠性。因此，利用定向凝固技术代替普通精密铸造工艺生产涡轮叶片成为目前航空发动机领域的一个重要发展趋势[1-z]。定向凝固涡轮叶片由多个柱状晶组成，其材料呈横观各向同性特点[2’3]。目前的研究通常假设整个叶片的材料性能一致(温度作为载荷考虑)，在此基础上沿用等轴晶叶片的研究方法，即通过一定量的标准试件或叶片模拟件的试验数据

4、，建立材料的宏微观本构模型(基于唯象的宏观连续介质力学本构理论或从晶体滑移理论出发的晶体塑性本构理论)，辅之以现代有限元分析技术，对定向凝固涡轮叶片进行强度和寿命设计¨．5J。实际上，这种研究方法关于叶片材料性能一致的假设并不合理。文献研究表明L6-7]，在定向凝固过程中，当构件的几何截面出现突变时，柱状晶生长会偏离理想的<001)方向，导致该部位显微组织存在差异，尽管可以通过控制抽拉速度等方法来减小这种差异，却不能完全消除。而定向凝固构件的宏观力学性能与其显微组织形态密切相关[s-lo]。这表明对于几何形状复杂的涡轮叶片而言，下缘板、叶冠等几何扩张和收缩的部

5、位，其定向凝固组织可能会出现差异，继而导致这些突变部位的宏观力学性能不同于其他部位。因此，定向凝固叶片各部位材料性能有可能不一致，上述假设在寿命估算时会造成较大误差。针对这一问题，本文对全尺寸定向凝固叶片和等轴晶叶片进行对比研究。采用几何结构相同的普通铸造K403合金叶片和定向凝固DZ22B合金收稿日期：2010-05-12；退修日期：2010—08—03；录用日期：2010—08—19；网络出版时间：2010-11-1518：34网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．1929．V．20101115．1834．001．htmID

6、OI：CNKI：11-1929／V20101115．1834．001基金项目：国家自然科学基金(10872015)；航空科学基金(2008ZB51017)；教育部“新世纪优秀人才支持计划”(NCET·06·0178)*通讯作者．Tel．：010-82316356E-mail：yanxiaojun@buaa，e由．锄引甬辖武l孙瑞杰。闰晓军．最景旭。定向凝固涡轮叶片高温低局疲劳的破舔特点[J-．航空学摄．20¨．32(2)：337．343．SunRuijie，)tanXiao／un．NieJingxu．Failurecharacteristicsofdirect

7、ionalsolidificationturbinebladeunderhightemperaturelowcyclefatigueload

8、-J3．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica。2011，32t2)}337-343．ni{掇叶片进行低周疲劳试验，引对试验结果出现的DZ22B合金叶片低周城劳破卅、不同jK403合金叶片的现象．开展r有限，L时比分析．Ji时f疆22n台盒叶片的品粒彤貌进行了觳值模拟，分析了定向凝周涡轮口}片的低蒯疲劳破坏特点和影响嘲素。1叶片低周疲劳试验叶片的寿命是评价叶片材料和结构性能的重耍依据．也是

9、制定叶片检修和皿换周19j的依据。在寞