单晶高温疲劳损伤参量的选取与寿命建模

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaSep．252016V01．37No．92749-2756ISSN1000．6893CN11—1929／Vhttp：Hhkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．CR单晶高温疲劳损伤参量的选取与寿命建模荆甫雷1’*，王荣桥2，胡殿印2，蒋康河21．中航空天发动机研究院有限公司基础与应用研究中心，北京1013042．北京航空航天大学能源与动力工程学院，北京100083摘要：高温疲劳损伤是引起单晶涡轮叶片破坏的主要因素之一。利用不同试验条件下DD6标准试件的低周疲劳和蠕变一疲劳试验结果，

2、结合基于滑移系的黏塑性应力一应变分析，分别研究了晶体取向、应变范围、平均应变以及保载时间等对单晶高温疲劳损伤的影响机制。进而采用滑移剪应变最大的滑移系作为临界滑移系，选取临界滑移系上的最大Schmid应力、最大滑移剪应变率、循环Schmid应力比以及滑移剪应变范围等细观参量作为损伤参量，建立了一种新的基于临界平面的循环损伤累积(CDA)模型。结果表明，该模型对于DD6高温疲劳寿命预测精度基本在3倍分散带内。关键词：镍基单晶高温合金；高温疲劳；损伤；寿命预测；临界平面；滑移系中图分类号：V232．4；0346．2文献标识码：A文章编号：1000—6893(2016)09—274

3、9—08镍基单晶高温合金具有优异的耐高温、抗氧化、抗蠕变以及抗疲劳性能，是目前制造先进航空发动机涡轮转子叶片的主要材料n]。单晶涡轮叶片在服役过程中承受着高温环境和交变应力的联合作用，高温疲劳损伤是引起其破坏的主要因素之一[2。3]。已有的试验结果[4。53表明，单晶的高温疲劳寿命与晶体取向、试验温度、应变范围、平均应变和保载时间等因素密切相关。高温疲劳损伤的晶体取向相关性是单晶与各向同性合金的最主要差异。文献[6—8]认为弹性模量的方向性变化是引起上述差异的主要原因，并将晶体弹性模量及其取向参数引入到各向同性寿命模型中，建立了一系列唯象的单晶高温疲劳寿命模型。由于直接采用宏

4、观应力、应变和保载时间等试验测量值作为损伤参量，而不涉及对单晶细观变形过程的描述，此类模型难以反映单晶疲劳裂纹通常沿滑移面萌生的细观特征[I]，也无法虑及本构模型的计算误差对寿命预测的影响。近年来，用于多轴疲劳寿命预测的临界平面法(CriticalPlaneApproach)[9]开始被引入到单晶高温疲劳寿命建模中口0‘”]。滑移是单晶主要的非弹性变形机制，高温疲劳损伤主要在特定的滑移面上累积并引起裂纹萌生和扩展，最容易破坏的平面是发生滑移的特定滑移面∞]。采用特定滑移面作为临界平面，并以该面上线弹性应力一应变分析得到的滑移系细观参量(如滑移系上的剪应力／应变、正应力／应变等

5、)作为损伤参量进行寿命建模，在解决单晶高温疲劳损伤晶体取向相关性的同时，还可以很好地反映其破坏的细观特征。需要注意的是，上述模型中普遍缺少表征晶体非弹性变形的相关项(如滑移剪应变)，因而无法准确体现非弹性变形对寿命的影响，目前主要用于单晶高周疲劳寿命预测，而对于低周疲劳和蠕变一疲劳寿命预测精度较低口“。收稿日期：2015．08．31；退修日期：2015-11．03；录用日期：2015—12·01；网络出版时间：2015—12-0814：22网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．1929．V．20151208．1422．002．html基金项目：

6、国家自然科学基金(51375031)；航空科学基金(2015ZBN3004)*通讯作者．Tel：010-56680678E-mail：jingfulei@163．com引用格武；刹甫雷．I荣桥．胡黢印．等i单晶高温疲劳损伤参i的选取与寿命建模[JI．航空学撮，2016．37(9)：2749-2756．JINGFL，WANGRQ，HUDY，eta1．Damageparameterdeterminationandlifemodelingforhightemperaturefatigueofsinglecrystals!∞÷ActaAeronauticaetAstronautica

7、Sinica。2016．37(9)：2749-2756．航空学报Sep．252016V01．37No．9另一方面，Levkovitch[1朝和Tinga[163等从单晶滑移面上微裂纹扩展过程出发，采用与Majumdar损伤率模型相类似的形式，以各个滑移系上的Schmid应力与滑移剪应变率作为损伤参量，提出了单晶损伤率模型。其中，滑移剪应变率需要借助于单晶黏塑性本构模型进行获取，这确保了该模型能够考虑本构模型的计算误差对寿命预测的影响；而基于滑移系的寿命建模则可以很好地描述单晶高温疲劳损伤的晶体取向相关性