定向凝固涡轮叶片不同部位材料疲劳性能差异研究.pdf

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1、航空学报Oct．252011V01．32No．101930．1936ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaISSN1000-6893CN11-1929／Vhttp：#hkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．CR文章编号：1000—6893(2011)10—1930—07定向凝固涡轮叶片不同部位材料疲劳性能差异研究闰晓军*，邓瑛，孙瑞杰，谢建文北京航空航天大学能源与动力工程学院，北京100191摘要：为了研究定向凝固涡轮叶片不同部位材料疲劳性能及差异，根据典型涡轮叶片的工艺和几何特征，设计了两类

2、叶片模拟件和用于对比研究的带缺1：3的对比试件，在此基础上开展了高温低循环疲劳试验和对比分析研究。试验结果表明：缘板模拟件、叶冠模拟件的材料疲劳性能分别为对比试件(和叶身中部材料性能基本相当)的5．93％和7．68％。这说明叶片不同部位的材料疲劳性能差异明显，在定向凝同涡轮叶片的结构、寿命设计中，需要考虑这种差异。研究结果对于定向凝固涡轮叶片设计、分析方法的完善和成形工艺的改进具有重要意义。关键词：涡轮叶片；低循环疲劳；叶片模拟件}定向凝固；显微组织中图分类号：V321．95文献标识码：A定向凝固是一种先进的铸造技术，目前先进航空发动机的涡轮叶

3、片多采用这一技术来铸造。在合金熔液的定向凝固过程中，需要采取适当的措施来避免横向传热，并在固一液界面及其附近的熔液中维持适当的温度梯度，对于镍基合金来说，这样的铸造将形成沿<001>方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，使得定向凝固涡轮叶片径向(<001>方向)的高温力学性能优于等轴晶叶片，显著提高了叶片使用寿命和可靠性[1。2]。文献研究发现r3-4]，在定向凝固过程中，铸件的几何形状对柱状晶的生长存在显著影响。对于外形规则的等截面铸件，热流方向比较容易控制，这使得晶粒生长方向与预定凝固方向保持一致；对于外形较

4、复杂的铸件，如截面存在突变等，在几何截面发生突变的部位，易出现横向传热，造成固一液界面及其附近区域的温度场发生扭曲，从而导致该区域附近的晶粒生长方向偏离理想的凝固方向。涡轮叶片的外形较为复杂，在叶片的某些部位，如缘板、叶冠附近，存在明显的几何突变，可能导致这些部位及其附近区域的温度场发生扭曲，造成局部晶粒生长偏离预定方向，即叶片不同部位的显微组织可能是不相同的。借助显晶检测技术，已经证实定向凝固几何突变铸件与没有几何突变铸件的显微组织特征存在差异[5_8]。如果叶片不同部位的显微组织不同，那么取决于显微组织的材料力学性能也会存在差异[91引。然

5、而，目前定向凝固涡轮叶片的设计方法仅考虑材料的各向异性，而未考虑叶片各部位材料性能不一致的特点[z3-15]，考虑到叶片的几何形状，其不同部位显微组织差异造成的材料力学性能差异到底有多大，是否应该在叶片设计过程中加以考虑，对于定向凝固涡轮叶片的设计来说，是一个非常重要的问题，因为这直接关系到叶片收稿日期：2010-12-21；退修日期：2011—01·10；录用日期：2011-04-20；网络出版时问：2011．04．2716：00网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／cletail／11．1929．V．20110427．16000

6、04．htmlDOI：CNKI：11．1929／V．20110427．1600．004基金项目：国家自然科学基金(10872015)；航空科学基金(2008ZB51017)；北京航空航天大学博士创新基金*通讯作者．Tel．：010—82316356E-mail：yanxiaojun@buaa．edu．cn萼

7、用撂武I目晓军。邓瑛．孙瑞杰．等．定向凝固涡艳叶片不碗部位材辩疲劳性能差异研究[J]．航空学摄。2011．32(10)：1930-1936。YanXiaojun·DengYing。SunRuijie，eta1．Studyoffatiguep

8、ropertyvariationatdifferentregionsonaDSturbineblade[J1．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica．2011．32(10)：1930．1936．曰晓军等：定向凝固涡轮叶片不同部位材料疲劳性能差异研究及航空发动机在外场使用的安全和可靠性。针对这一问题，本文结合典型涡轮叶片几何特征以及定向凝固高温合金DZ22B，定量研究了在定向凝固工艺下，由于叶片复杂几何因素而引起的叶片不同部位材料疲劳性能的差异。研究方法如下：设计具有叶片不同部位几何和工艺特征的模拟件，开展高温低循

9、环疲劳试验，得到其疲劳寿命，并与从没有几何突变时凝固成形的板块上切取的带缺口的对比试件进行对比试验研究，最后给出在一定试验条件下定向凝固叶片不同部位材