DD6單晶冷卻渦輪葉片模擬試樣蠕變壽命研究

代勝剛，殷玲，卿華

(中國燃氣渦輪研究院，四川成都610500)

DD6單晶冷卻渦輪葉片模擬試樣蠕變壽命研究

代勝剛，殷玲，卿華

(中國燃氣渦輪研究院，四川成都610500)

研究了DD6單晶冷卻渦輪葉片模擬試樣中氣膜孔對蠕變壽命的影響。分別對帶氣膜孔和不帶氣膜孔的薄壁圓管試樣進行了蠕變測試，帶氣膜孔試樣作為冷卻葉片模擬件，不帶氣膜孔試樣與之比較。900℃與1 000℃的蠕變試驗結(jié)果表明：在相同應力條件下，壁厚為2.0 mm試樣的蠕變壽命要比壁厚為1.5 mm試樣的長，帶氣膜孔試樣的蠕變壽命要比不帶氣膜孔的長，壁厚和氣膜孔是影響模擬試樣蠕變壽命的主要因素。通過掃描電鏡分析發(fā)現(xiàn)：所有試樣的蠕變斷裂形式以韌窩斷裂為主，帶氣膜孔試樣的蠕變變形主要出現(xiàn)在氣膜孔區(qū)域。

蠕變；鎳基單晶；氣膜孔；冷卻葉片

1 引言

鎳基單晶材料因其卓越的蠕變性能和疲勞性能而被廣泛應用于航空發(fā)動機熱端部件[1，2]。為提高發(fā)動機效率，必須進一步提高渦輪前燃氣溫度，這就對渦輪葉片材料提出了一個巨大的挑戰(zhàn)。近年來，國內(nèi)外采用氣冷葉片設計很好地解決了這一難題[3，4]。然而，冷卻葉片上分布著很多氣膜孔，這些氣膜孔附近的應力集中必然會對發(fā)動機的使用壽命產(chǎn)生很大影響[5]。因此，對氣膜孔附近的力學行為進行研究是一項既艱難又有意義的工作。

目前，國內(nèi)外對氣冷葉片的研究大多局限于管狀試樣[6]和缺口薄壁平板試樣[7，8]，鮮見有關氣膜孔對氣冷葉片強度和壽命影響的相關文獻資料。于慶民等[9]設計了帶氣膜孔平板試樣并對其進行了一些研究，結(jié)果表明氣膜孔引起的應力集中會降低蠕變斷裂壽命?？紤]到葉片結(jié)構的復雜性及葉片工作狀態(tài)下的應力狀態(tài)等因素，本文設計了一種帶氣膜孔的薄壁圓管試樣對氣冷葉片進行研究。

本文對帶與不帶氣膜孔的試樣進行了蠕變性能測試，研究了[001]取向的DD6單晶薄壁圓管分別在900℃、500 MPa與1 000℃、300 MPa兩種條件下的蠕變性能，并對部分試樣進行了掃描電鏡分析，對比研究了氣膜孔對蠕變性能的影響。

2 試驗試樣與試驗過程

試驗試樣采用了國內(nèi)第二代鎳基單晶高溫合金DD6，其化學成分見表1。DD6試樣毛坯采用熔模精鑄和定向凝固法制成。測試力學性能的單晶試樣坯件，在機械加工前經(jīng)過標準制度的熱處理。所有毛坯均采用X光勞厄背衍射法進行晶向檢查，其偏角控制在5°內(nèi)。為研究氣膜孔對冷卻葉片蠕變壽命的影響，根據(jù)葉片的復雜結(jié)構設計了如圖1所示的薄壁圓管試樣。試樣有效段外徑均為?10 mm，內(nèi)徑分別為?6 mm、?7 mm，即對應的薄壁圓管厚度分別為2.0 mm和1.5 mm，氣膜孔半徑為0.2 mm(如圖2所示)，采用電火花穿孔工藝進行加工。

圖1 不帶氣膜孔試樣Fig.1 Specimen without cooling holes

圖2 帶氣膜孔試樣Fig.2 Specimen with cooling holes

本文試驗均在同一臺CSS280液壓伺服高溫疲勞試驗機上完成。試驗環(huán)境為空氣，試樣升溫速度為5℃/min，溫度由熱電偶控制，控溫精度為±3℃，待溫度升至目標值后，保溫30 min后進行試驗。試驗時，冷卻空氣(室溫)通過設計的中空夾具及夾頭，使薄壁試樣的內(nèi)壁與外壁產(chǎn)生溫度梯度。夾具的端部同時預留了熱電偶通道，以便測量試樣內(nèi)部溫度。冷卻氣流通過空氣壓縮機提供，氣流流量為1.27 m3/h，由轉(zhuǎn)子流量計控制。

3 結(jié)果分析

3.1 壁厚對蠕變壽命的影響

圖3給出了900℃及1 000℃下，壁厚分別為2.0 mm、1.5 mm試樣的拉伸蠕變應變-時間壽命曲線。圖中n6、n7分別代表不帶氣膜孔壁厚為2.0 mm和1.5 mm試樣，y6、y7分別代表帶氣膜孔壁厚為2.0 mm和1.5 mm試樣。從圖3(a)中不帶氣膜孔試樣兩種壁厚的試驗結(jié)果對比曲線可以看出，在900℃、500 MPa下，壁厚為2.0 mm試樣的蠕變壽命明顯比壁厚為1.5 mm的大，兩者數(shù)值上約差30 h；但壁厚對第二階段的最小蠕變率沒有顯著影響。從圖3(b)中可以看出，1 000℃、300 MPa條件下，壁厚對DD6單晶合金的蠕變壽命影響較弱，但從趨勢上看，壁厚為2.0 mm試樣的蠕變壽命要比壁厚為1.5 mm試樣的大。從斷裂時蠕變應變比較來看，在相同溫度和應力水平下，2.0 mm壁厚試樣的斷裂應變比1.5 mm壁厚試樣的大。

圖3 相同溫度及應力下不同試樣的蠕變壽命Fig.3 Creep lives of different specimen at the same temperature and stress

3.2 氣膜孔對蠕變壽命的影響

氣膜孔的存在必然會引起應力集中，而應力集中往往會加速斷裂的發(fā)生。但是，根據(jù)圖3給出的900℃、500 MPa和1 000℃、300 MPa下帶氣膜孔與不帶氣膜孔試樣的蠕變壽命曲線對比分析，發(fā)現(xiàn)帶氣膜孔試樣的蠕變壽命反而大于不帶氣膜孔試樣的，這一結(jié)論與文獻[9]中帶氣膜孔平板試樣的試驗結(jié)果截然相反，但與文獻[10]所述一致。文獻[10]表明，氣膜孔使得[001]取向單晶材料的應力三軸度產(chǎn)生利于材料蠕變性能的變化，從而使蠕變壽命變長。此外，氣膜孔對第二階段的最小蠕變率也有很大的影響，并且?guī)饽ぴ嚇拥臄嗔褢冎狄炔粠饽た自嚇拥男『芏?。這是因為氣膜孔的存在導致主要的蠕變變形都集中在氣膜孔附近，而在遠離氣膜孔的非最小截面處，其截面名義應力都要比不帶氣膜孔試樣的小，所以帶氣膜孔試樣的總變形量要比不帶氣膜孔試樣的小。

4 電鏡分析

由3.1節(jié)可知，900℃、500 MPa下壁厚對蠕變壽命的影響比1 000℃、300 MPa下的明顯。從圖4中的斷口形貌來看，900℃、500 MPa下不同壁厚的斷裂方式有差異，其中壁厚為2.0 mm試樣的斷口以韌窩為主，而壁厚為1.5 mm的試樣則以撕裂嶺為主；1 000°C、300 MPa下不同厚度試樣的斷裂方式均為韌窩斷裂。

圖4 不帶氣膜孔試樣的斷口形貌Fig.4 Fracture surface of specimen without cooling holes

圖5帶氣膜孔試樣的蠕變斷口形貌Fig.5 Fracture surface of specimen with cooling holes

圖5 為帶氣膜孔試樣的斷口形貌。對比圖4(a)、圖5(a)及圖4(b)、圖5(b)可以發(fā)現(xiàn)，在氣膜孔附近存在大量的韌窩且要比不帶氣膜孔的深，同時斷裂面也很不規(guī)則，其原因是氣膜孔處存在應力集中和應變集中現(xiàn)象。在遠離氣膜孔的區(qū)域可以看到不平整的剪切唇，因此蠕變主要的變形發(fā)生在孔的局部區(qū)域，最后斷裂是在遠離孔的位置。對比圖4(c)、圖5(c)與圖4(d)、圖5(d)可以發(fā)現(xiàn)，帶氣膜孔試樣的斷口氧化較嚴重，韌窩也發(fā)生了明顯的變形，氣膜孔之間的高應力區(qū)存在明顯的撕裂嶺，試樣最終從此處扯斷。由此可以得出，氣膜孔對試樣的斷裂形式有很大的影響，進而影響試樣的蠕變壽命。

5 結(jié)論

(1)相同應力水平和環(huán)境下，2.0 mm壁厚試樣的蠕變壽命要比1.5 mm壁厚試樣的長，斷裂應變值大，并且壁厚對低溫下的影響要比高溫下的影響大。

(2)帶氣膜孔試樣的蠕變壽命明顯要比不帶氣膜孔試樣的大，并且?guī)饽た自嚇拥臄嗔褢冎狄炔粠饽た自嚇拥男『芏唷?/p>

[1]尹澤勇，岳珠峰，楊治國，等.各向異性單晶合金結(jié)構強度與壽命[M].北京：國防工業(yè)出版社，2003.

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[5]Nu?ez J E，Glinka G.Analysis of Non-Localized Creep In?duced Strains and Stresses in Notches[J].Eng.Fract. Mech，2004，71：1791—1803.

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Creep Life Study on the Modeling Specimen of DD6 Single Crystal Cooling Turbine Blade

DAI Sheng-Gang，YIN Ling，QING Hua
(China Gas Turbine Establishment，Chengdu 610500，China)

The study of creep life on a modeling specimen of DD6 single crystal cooling turbine blade is carried out.Thin-walled cylindrical specimens with holes are tested to model the air-cooled turbine blade. Specimens without holes are also studied to make comparisons.The experiments are made at 900℃and 1 000℃.Experimental results show that the creep lives of specimens with holes are longer than those of speci?mens without holes;temperatures and stresses are two main factors which influence the creep life of single crystal;the creep life of the 2.0 mm thick specimens are longer than those of the 1.5 mm thick specimens at the same loading conditions.Thickness and cooling holes are the prime factors which affect the creep life. Scanning Electron Microscopy(SEM)analyses reveal that all the specimens fracture surfaces are mainly made up of dimples and for the specimens with cooling holes,creep deformation concentrates on the region near cooling holes.

creep；single crystal；cooling holes；cooling turbine blade

V216.4+5

A

1672-2620(2011)04-0036-04

2011-05-11；

2011-10-10

代勝剛(1981-)，男，四川德陽人，工程師，碩士，從事發(fā)動機強度設計工作。