定向合金dz125高温低循环疲劳蠕变特征与寿命建模

定向合金D Z l 2 5 高温低循环疲劳蠕变特征与寿命建模 9 9 定向合金D Z l 2 5 高温低循环疲劳蠕变 特征与寿命建模 L o wC y c l eC r e e p f a t i g u eB e h a v i o ra n dL i f eP r e d i c t i o n o ff lD SS u p e r a l l o yD Z l 2 5 石多奇1 ，杨晓光1 ，于慧臣2 ，张国栋2 ，魏大盛1 ( 1 北京航空航天大学航空推进系，北京1 0 0 0 8 3 ；2 北京航空材料研究院，北京1 0 0 0 9 5 ) S H ID u o - q i l ，Y A N GX i a o - g u a n 9 1 ， Y UH u i c h e n 2 ，Z H A N GG u o - d o n 9 2 ，W E ID a - s h e n 9 1 ( 1B e i j i n gU n i v e r s i t yo fA e r o n a u t i c sa n dA s t r o n a u t i c s ，B e i j i n g1 0 0 0 8 3 ，C h i n a ； 2B e i j i n gI n s t i t u t eo fA e r o n a u t i c a lM a t e r i a l s 。B e i j i n g1 0 0 0 9 5 ，C h i n a ) 摘要：研究了定向凝固合金D Z l 2 5 在控制应变条件下的低循环疲劳行为分析了温度、取样方向、保持时间对合金低循 环疲劳寿命的影响。结果表明，取样方向和保持时间对D Z l 2 5 合金低循环疲劳寿命的影响和温度因素是耦合在一起 的同一取样方向在不同温度下的疲劳寿命规律不同I 同一温度下不同取样方向的疲劳寿命规律也不同温度、载荷条 件和材料的各向异性性质耦合在一起，使得定向合金疲劳寿命研究复杂化基于循环损伤累积思想，引人一个能够描述 晶体各向异性的函数，建立了一种能够考虑取样方向、应力应变水平、保持时间效应的寿命模型，综台地预测了D Z l 2 5 合金的高温低循环疲劳寿命精度在2 倍分散带内，满足工程设计要求。 关毽词：定向凝固合金f 涡轮叶片I 低循环疲劳f 保持时间f 寿命预测 A b s t r a c t ：T h eL C Fl l f ec h a r a c t e r i s t i c so fad i r e c t i o n a l l ys o l i d i f i e ds u p e t a l l o yD Z l 2 5w a si n v e s t i g a t e d u n d e rs t r a i nc o n t r o l l e df a t i g u el o a d i n g T h ee f f e c to ft e m p e r a t u r e ，c r y s t a l l i n eo r i e n t a t i o na n dd w e I l t i m eo nt h eL C F1 i r eo ft h es u p e r a l l o yw a sq u a l i t a t i v e l ya n a l y z e d I ti ss h o w nt h a tt h e s et h r e ee f f e c t s o i lf a t i g u el i f ea r ec o u p l i n ge a c ho t h e r T h ee f f e c to fd i f f e r e n tt e m p e r a t u r e so nf a t i g u el i f eo fa l o n gt h e s a m es a m p l i n gd i r e c t i o ni sd i f f e r e n ta sw e l la sd i f f e r e n td i r e c t i o n sa tt h es a m et e m p e r a t u r e T e s tt e m - p e r a t u r e ，l o a d i n gc o n d i t i o n sa n dt h ea n i s o t r o p yo ft h es u p e r a l l o ym a k et h el i f ea n a l y s i sc o m p l i c a t e d A f u n c t i o nd e s c r i b i n gc r y s t a la n i s o t r o p yw a si n t r o d u c e di n t oac y c l i cd a m a g ea c c u m u l a t i o nm o d e lt oe s t a b l i s hal i f ee q u a t i o n ，w h i c hh a st h ea b i l i t yo fm o d e l i n gL C Fl i v e st a k i n gi n t oa c c o u n tt h ec r y s t a l l i n e o r i e n t a t i o n ，s t r e s sa n ds t r a i nl e v e ra n dd w e l lt i m e T h ep r e d i c t e dI i r ee r r o ri saf a c t o ro f2f o rD Z l 2 5 K e yw o r d s ：d i r e c t i o n a U ys o l i d i f i e ds u p e r a l l o y ；t u r b i n eb l a d e ；l o wc y c l ef a t i g u e ；d w e l lt i m e ；l i f ep r e d i c d o n 镍基定向凝固合金在高温下的变形和破坏，具有 明显的温度相关性和方向性。作为涡轮叶片材料，由 于消除了横向晶界，显著增加了叶片高温蠕变与应力 断裂强度及增强了抗氧化腐蚀能力，同时叶高方向材 料弹性模量的降低引起热应力减小，从而增加了低循 环疲劳寿命 1 。国内近年已开展了一些关于定向合金 强度与疲劳寿命的研究工作o - 6 ，但对材料各向异性 疲劳问题考虑得并不完全，特别是叶片复杂的几何结 构与材料的各向异性以及所承受的多轴应力状态，进 步加剧了研究难度。另一方面，虽然在定向凝固冶 金和工艺方面已经取得很大进步p ，产品合格率得到 j ，大幅提升，但是在设计过程中，对合金高温低循环疲 劳蠕变行为和寿命预测方法方面的知识，特别是在高 温时变多场载荷作用下合金的力学行为方面，仍然有 待提高和补充。 1 材料试验 研究定向凝固合金低循环疲劳蠕变特征需要考 虑两个问题。首先是选择合适的取样方向制备试件。 定向结晶涡轮叶片主要关心叶片径向，相应于材料的 E 0 0 1 3 晶向，是叶片结构中最主要的方向，因此研究主 要以纵向( L o n g i t u d i n a l ，L ) 取样为主，而横向( T r a n s v e r s e ，T ) 和4 5 0 方向取样次之。其次需要选择合适 1 0 0材料工程，2 0 0 6 年第十三属发动机结构强度振动学术会论文集 的温度，D Z l 2 5 材料在涡轮转子叶片中相对较高的温 度是9 8 0 左右。因此，本文重点研究了纵向取样在 9 8 0 的低循环疲劳行为，完成了大量的疲劳试验，同 时兼顾了其它温度。 试验分为室温( 2 0 ) 、中温( 6 5 0 7 6 0 ) 和高 温( 8 5 0 9 8 0 C ) 三部分，在岛津高温疲劳试验机上 完成。均采用控制应变的加载方式，应变速率0 0 0 5 s ，加载波形为三角渡( 元保载) 和梯形波( 有保载) ，应 变比( 最小应变与最大应变之比) 为一1 的对称循环加 载，只有少量试件进行应变比为0 的非对称循环加载。 通过引伸计的石英刀口与试件保持接触来控制轴向应 变，采用炉内电阻丝辐射加热，并由均布于标距附近的 三个热电偶控制温度的波动。施加机械载荷前，需要 对试件保温约8 0 1 0 0 r a i n ，以使试件表面和芯部温度 均匀。试验以断裂结尾，并记录了应力、应变的时间历 程数据。本文主要研究合金低循环疲劳行为与试件取 样方向、试验温度和保持时间的关系。受试样数目的限 制，没有研究应变速率的影响。表l 是材料试验条件。 衰1 低循环疲劳试验条件e 应变速率：0 0 0 5 s ) T a b l e1T e s tc o n d i t i o nf o rL C F ( s t r a i nr a t ei s0 0 0 5 s ) 2 温度对D Z l 2 5 的低循环疲劳行为 从温度对于屈服应力的影响来说，7 6 0 ' C 时合金会 出现中温附近的峰值屈服应力o 。超过该温度，镍基 定向凝固合金的屈服应力会随温度升高而下降。 9 8 0 处于该屈服应力下降的区域。这是因为低温、中 温和高温三个区域下的变形( 或晶体滑移) 机制发生了 变化，这种变化从低循环疲劳寿命中可以反映出来。 图1 3 是纵向、横向和4 5 度三种取样方向的试 样在控制应变的对称循环加载下( R 。= 一1 ) 总应变范 围s 与断裂寿命N f 的关系曲线。从图中可以看出， 对于纵向取样的试件在所研究的温度范围内，当总名 义应变范围血= 1 2 1 - 6 时，由于温度引起的寿 命分散带大约是1 0 倍，相同应变水平下，9 8 0 。C 的寿命 最短。限于试样数目，没有在其它应变范围内针对除 9 8 0 以外的温度做更多的试验。 髓1 纵向取样的r l 试验结果 F i glL C Ft tr 髓u h to o a g l t a d es a m p l e 图2 横向取样的扣f 试验结果 F i g 2 L C Ft e s tr e s u l t sa l o n gt r a n s v e r s es a m p l e 圈34 5 。取样的暗N l 试验结果 F i g 3 L C Ft f l s tr e s u l t so f4 5 s a m p l e 在这5 个温度下，对控制应变的对称循环( ； 一1 ) ，当总应变范围= 1 6 时，在纵向、横向和4 5 度三个取样方向，总共完成了1 7 个试样的低循环疲劳 试样。按照不同取样方向，以断裂寿命N 为横坐标， 温度为纵坐标，做3 条试样曲线，如图4 所示。纵向取 样，温度对寿命影响的非线性程度，明显大于其它两个 方向。当温度升高，在三个取样方向的寿命都有不同 程度的降低。横向和4 5 度取向虽然在每个温度下只 有1 或2 个试样点，但它们的寿命一温度曲线基本具有 相近的规律。因为7 6 0 C 在纵向的屈服应力最大，所 定向合金D Z l 2 5 高温低循环疲劳蠕变特征与寿命建模 1 0 1 暮 q 圈4 相同总应变范围下寿龠与温度的关系 F * L C Fl i f ev e r 8 1 l st e z a p e r a t u r ea tt h e m cs t r a i nI 盯d 以该温度下纵向有最长的寿命。 3 取样方向对D Z l 2 5 低循环疲劳行为的影响 研究取样方向对D Z l 2 5 合金低循环疲劳寿命的 影响并进行定性描述，说明