一種高溫合金渦輪葉片服役應(yīng)力的實(shí)驗(yàn)評(píng)估方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于鎳基定向凝固高溫合金葉片技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種定向凝固渦輪葉 片服役應(yīng)力的實(shí)驗(yàn)評(píng)估方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 航空發(fā)動(dòng)機(jī)是高度復(fù)雜和精密的熱力機(jī)械，作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)最關(guān)鍵部件之一的渦 輪轉(zhuǎn)子葉片是燃?xì)獾撵屎蛣?dòng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的重要熱端部件。由于轉(zhuǎn)子葉片在燃?xì)猸h(huán)境下 高速旋轉(zhuǎn)，葉身長(zhǎng)期承受機(jī)械應(yīng)力及熱應(yīng)力的復(fù)雜作用。葉片各個(gè)部位所承受的應(yīng)力大小 存在差異，即葉片的應(yīng)力場(chǎng)不均勻，而葉片的應(yīng)力場(chǎng)分布對(duì)于指導(dǎo)葉片的材料選擇、葉形設(shè) 計(jì)以及在維修過(guò)程中確定考核點(diǎn)具有重要的指導(dǎo)意義，具有顯著工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。
[0003] 目前，對(duì)于葉片的應(yīng)力場(chǎng)分布的研究多采用基于邊界條件的數(shù)值模擬計(jì)算的方 法，尚無(wú)基于微觀組織的實(shí)驗(yàn)評(píng)估方法。
[0004] 鎳基鑄造高溫合金渦輪葉片在服役過(guò)程中，由于長(zhǎng)期處于高溫高壓燃?xì)夂蛷?fù)雜應(yīng) 力引起的蠕變作用下，葉片內(nèi)部冶金組織不可避免的發(fā)生損傷退化。其中，由于葉片自身旋 轉(zhuǎn)造成的離心應(yīng)力以及由于高溫燃?xì)庠斐傻臒釕?yīng)力通常是葉片的最主要應(yīng)力。由于應(yīng)力的 的作用，原始立方狀的γ '相會(huì)逐漸發(fā)生定向粗化，形成片狀的筏形組織。同時(shí)，由于γ '相 筏形的驅(qū)動(dòng)力與外加應(yīng)力密切相關(guān)，隨著外加應(yīng)力的提高，γ '相的筏形完善程度也逐漸完 善和提高。因此，可利用實(shí)驗(yàn)建立筏形完善程度與外加應(yīng)力的定量關(guān)系，從而根據(jù)其筏形完 善程度對(duì)葉片的服役應(yīng)力進(jìn)行定量評(píng)估。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種基于退化組織的定向凝固DZ125合金渦輪葉片服役應(yīng)力 的實(shí)驗(yàn)評(píng)估方法。該方法可對(duì)DZ125合金渦輪葉片葉身各部位的服役應(yīng)力進(jìn)行評(píng)估，評(píng)估精 度大約為30MPa，適合工程應(yīng)用。
[0006] -種高溫合金渦輪葉片服役應(yīng)力的實(shí)驗(yàn)評(píng)估方法，其核心技術(shù)要點(diǎn)為:定向凝固 DZ125合金渦輪葉片在實(shí)際服役過(guò)程中，原始立方狀的γ '相會(huì)逐漸發(fā)生定向粗化，形成片 狀的筏形組織。應(yīng)力是合金γ '相筏形完善程度的最主要影響因素，二者存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān) 系。因此可建立一定溫度和時(shí)間下應(yīng)力與γ '相筏形完善程度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)葉片的實(shí) 際服役應(yīng)力進(jìn)行評(píng)估。具體的評(píng)估包括以下步驟：
[0007] 1)對(duì)渦輪葉片材料DZ125合金進(jìn)行不同溫度和時(shí)長(zhǎng)下不同應(yīng)力的蠕變中斷實(shí)驗(yàn)， 隨后對(duì)合金的一次γ '相的筏形完善程度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到不同溫度和時(shí)長(zhǎng)下應(yīng)力與一次γ ' 相筏形完善程度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
[0008] 2)對(duì)實(shí)際服役m小時(shí)后的DZ125合金葉片某部位的一次γ '相筏形完善程度進(jìn)行統(tǒng) 計(jì)，得到該部位的一次γ '相筏形完善程度。
[0009] 3)在該部位服役溫度范圍評(píng)估結(jié)果的基礎(chǔ)上，進(jìn)行平均服役應(yīng)力的評(píng)估，將該部 位的γ '相筏形完善程度和該部位服役溫度范圍內(nèi)進(jìn)行m小時(shí)的持久中斷實(shí)驗(yàn)后的γ '相筏 形完善程度進(jìn)行對(duì)比，選取相近的筏形完善程度所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力范圍作為該部位的服役應(yīng)力 評(píng)估結(jié)果，即得到該部位的服役應(yīng)力。
[0010]步驟1)中所述DZ125合金不同溫度應(yīng)力下的持久中斷實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)溫度為900°C、 950°(：、1000°(：及1050°(：，實(shí)驗(yàn)應(yīng)力范圍為0~28010^;所述持久中斷實(shí)驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)不超過(guò)葉片的 使用壽命，并在該時(shí)長(zhǎng)范圍內(nèi)與待評(píng)估葉片的實(shí)際服役時(shí)間m等長(zhǎng)。
[0011]步驟2)中所述筏形完善程度是按照下列公示：
[0013] 式中，杧表示垂直筏排化方向單位長(zhǎng)度內(nèi)筏形組織的交叉和中斷的數(shù)目，Pf表示 平行于筏排化方向單位長(zhǎng)度內(nèi)筏形組織的交叉和中斷的數(shù)目，Ω為γ '相筏形完善程度，其 數(shù)值范圍為〇~1，Ω為0時(shí)，代表等軸的γ '相組織，即垂直與平行方向是等效的；Ω為1時(shí)， 代表理想的筏形組織，即Υ '相筏形既不中斷也不交叉。
[0014] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，通過(guò)施加不同應(yīng)力的持久中斷實(shí)驗(yàn)確定了一定溫度和時(shí)間下 應(yīng)力與γ '相筏形完善程度之間的關(guān)系，利用該關(guān)系及實(shí)測(cè)獲得的葉片基體的一次γ '相的 筏形完善程度，在服役溫度評(píng)估的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了對(duì)葉片基體的服役應(yīng)力的量化評(píng)估。與數(shù) 值模擬計(jì)算方法相比，該方法排除了邊界條件不確定性的影響，在評(píng)估葉片基體平均服役 應(yīng)力的精度約為30MPa。該評(píng)估方法較易操作，適合工程應(yīng)用，在DZ125合金葉片的服役應(yīng)力 評(píng)估中具有較強(qiáng)工程應(yīng)用意義及廣闊前景。
【附圖說(shuō)明】
[0015] 圖1為用于進(jìn)行持久中斷實(shí)驗(yàn)的變截面樣品尺寸示意圖。
[0016] 圖2為DZ125合金300小時(shí)持久中斷實(shí)驗(yàn)后不同溫度下γ '相筏形完善程度與服役 應(yīng)力的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
[0017] 圖3為服役300小時(shí)的DZ125合金葉片葉身中部進(jìn)氣邊處縱截面枝晶干處顯微組 織。
【具體實(shí)施方式】
[0018] 以下示例將對(duì)本發(fā)明予以進(jìn)一步的說(shuō)明，以便本領(lǐng)域人員更好地理解本發(fā)明的優(yōu) 點(diǎn)和特征。
[0019] 將葉片材料DZ125合金加工成如圖1變截面持久樣品，在一根試樣上形成直徑分別 為6mm，7mm，8mm及9mm的4種截面，由此可在一根試樣上形成了四種不同應(yīng)力，隨后對(duì)其進(jìn)行 300h的不同溫度的持久中斷實(shí)驗(yàn)。最后形成的具體溫度和應(yīng)力分別為：900°C下124MPa， 158MPa，206MPa，280MPa;950 Γ 下98MPa，124MPa，162MPa，220MPa;1000 Γ 下18MPa，23MPa， 29MPa，40MPa，67MPa，84MPa，11OMPa，150MPa;1050 °C 下18MPa，23MPa，29MPa，40MPa。
[0020] 對(duì)上述持久中斷實(shí)驗(yàn)后的樣品的縱截面解剖，并對(duì)縱截面的組織進(jìn)行觀察，隨后 利用如下公式統(tǒng)計(jì)γ '相的筏形完善程度：
[0022] 式中，表示垂直筏排化方向單位長(zhǎng)度內(nèi)筏形組織的交叉和中斷的數(shù)目，Pf表示 平行于筏排化方向單位長(zhǎng)度內(nèi)筏形組織的交叉和中斷的數(shù)目。Ω的數(shù)值范圍為0~1，Ω為〇 時(shí)，代表等軸的γ '相組織，即垂直與平行方向是等效的；Ω為1時(shí)，代表理想的筏形組織，即 γ '相筏形既不中斷也不交叉。Ω值越接近1，表示筏形化程度越完善。根據(jù)上述公式，在筏 形組織照片上繪制等長(zhǎng)的垂直及平行于筏排方向的線段。隨后測(cè)量垂直于筏形方向的線段 與γ / γ '相界面的交點(diǎn)數(shù)目，記為pf ;測(cè)量平行于筏形方向的線段與丫/丫'相界面的交點(diǎn) 數(shù)目，記為If，最后根據(jù)公式計(jì)算得到筏形完善程度Ω。對(duì)于同一位置，建議選取5張以上 筏形組織照片進(jìn)行測(cè)量及計(jì)算，并得出Ω平均值與標(biāo)準(zhǔn)差。
[0023] 對(duì)900~1050°C不同應(yīng)力下300h持久中斷后組織的筏形完善程度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，從而 建立了300h內(nèi)一定溫度下應(yīng)力與γ '相的筏形完善程度之間的關(guān)系，如圖2所示。
[0024]對(duì)圖3所示實(shí)際服役300h后DZ125合金葉片葉身中部某部位的γ '相筏形完善程度 進(jìn)行定量統(tǒng)計(jì)，得到其筏形完善程度（Ω)為0.29。由于該部位的服役溫度為1000~1050°C， 將該部位的筏形完善程度與圖1中1000~1050°C下的應(yīng)力與筏形完善程度的關(guān)系進(jìn)行對(duì) 比，得到其服役應(yīng)力為34~62MPa。因此，在評(píng)估溫度的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了對(duì)服役應(yīng)力的實(shí)驗(yàn)評(píng) 估，該評(píng)估結(jié)果在葉片的設(shè)計(jì)及維修中具有較強(qiáng)的工程應(yīng)用意義。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種高溫合金渦輪葉片服役應(yīng)力的實(shí)驗(yàn)評(píng)估方法，其特征在于，具體包括以下步驟： 1) 對(duì)渦輪葉片材料DZ125合金進(jìn)行不同溫度和時(shí)長(zhǎng)下不同應(yīng)力的持久中斷實(shí)驗(yàn)，隨后 對(duì)合金的γ '相筏形完善程度進(jìn)行定量統(tǒng)計(jì)，得到不同溫度時(shí)間下各應(yīng)力與γ '相筏形完善 程度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系； 2) 對(duì)實(shí)際服役m小時(shí)的DZ125合金葉片某部位的γ '相筏形完善程度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到服 役m小時(shí)葉片的γ '相筏形完善程度； 3) 在該部位服役溫度范圍評(píng)估結(jié)果的基礎(chǔ)上，進(jìn)行平均服役應(yīng)力的評(píng)估，即將該部位 的γ '相筏形完善程度和該部位服役溫度范圍內(nèi)進(jìn)行m小時(shí)的持久中斷實(shí)驗(yàn)后的γ '相筏形 完善程度進(jìn)行對(duì)比，選取相近的筏形完善程度所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力范圍作為該部位的應(yīng)力評(píng)估結(jié) 果。2. 如權(quán)利要求1所述的高溫合金渦輪葉片服役應(yīng)力的實(shí)驗(yàn)評(píng)估方法，其特征在于，步驟 1)中所述DZ125合金不同溫度應(yīng)力下的持久中斷實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)溫度為900 °C、950 °C、1000 °C及 1050°C，實(shí)驗(yàn)應(yīng)力范圍為0~280MPa。3. 如權(quán)利要求1所述的高溫合金渦輪葉片服役應(yīng)力的實(shí)驗(yàn)評(píng)估方法，其特征在于，步驟 1)中所述持久中斷實(shí)驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)不超過(guò)葉片的使用壽命，并在該時(shí)長(zhǎng)范圍內(nèi)與待評(píng)估葉片的實(shí) 際服役時(shí)間m小時(shí)等長(zhǎng)。4. 如權(quán)利要求1所述的高溫合金渦輪葉片服役應(yīng)力的實(shí)驗(yàn)評(píng)估方法，其特征在于，所述 筏形完善程度是按照下列公示：式中，Pf表示垂直筏排化方向單位長(zhǎng)度內(nèi)筏形組織的交叉和中斷的數(shù)目，&表示平行 于筏排化方向單位長(zhǎng)度內(nèi)筏形組織的交叉和中斷的數(shù)目，Ω為γ '相筏形完善程度，其數(shù)值 范圍為0~1，Ω為〇時(shí)，代表等軸的γ '相組織，即垂直與平行方向是等效的；Ω為1時(shí)，代表 理想的筏形組織，即γ '相筏形既不中斷也不交叉。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種高溫合金渦輪葉片服役應(yīng)力的實(shí)驗(yàn)評(píng)估方法，涉及DZ125定向凝固高溫合金渦輪葉片服役應(yīng)力的實(shí)驗(yàn)評(píng)估。該方法通過(guò)持久中斷實(shí)驗(yàn)研究了應(yīng)力大小對(duì)合金γ’相的演變行為的影響，發(fā)現(xiàn)一定溫度和時(shí)間下，γ’相的筏形完善程度會(huì)隨著應(yīng)力的提高而提高。同時(shí)，通過(guò)量化表征γ’相的筏形完善程度，確定了一定溫度和時(shí)間下應(yīng)力與枝晶干中部一次γ’相的筏形完善程度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。利用該關(guān)系以及實(shí)際服役一定時(shí)間后葉片的γ’相筏形完善程度，在評(píng)估服役溫度的基礎(chǔ)上，可對(duì)葉片的平均服役應(yīng)力進(jìn)行評(píng)估。該方法排除了葉片涂層及氣膜冷卻結(jié)構(gòu)的復(fù)雜影響，實(shí)現(xiàn)了對(duì)葉片基體服役應(yīng)力的評(píng)估，在DZ125葉片的服役應(yīng)力評(píng)估方面具有重要的工程應(yīng)用意義及廣闊前景。
【IPC分類】G01L5/00
【公開(kāi)號(hào)】CN105606288
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201610162676
【發(fā)明人】馮強(qiáng), 陳亞?wèn)|, 安文瑞, 鄭運(yùn)榮
【申請(qǐng)人】北京科技大學(xué)
【公開(kāi)日】2016年5月25日
【申請(qǐng)日】2016年3月21日