基于殘余應(yīng)力的單晶葉片榫頭進(jìn)氣窗結(jié)構(gòu)優(yōu)化

邱飛,卜昆,李世鋒,丁肖藝

(1.西北工業(yè)大學(xué) 現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室，陜西 西安 710072；2.中國航空工業(yè)集團(tuán)公司 中國燃?xì)鉁u輪研究院 渦輪技術(shù)研究室，四川 成都 610500)

基于殘余應(yīng)力的單晶葉片榫頭進(jìn)氣窗結(jié)構(gòu)優(yōu)化

邱飛1,卜昆1,李世鋒2,丁肖藝1

(1.西北工業(yè)大學(xué) 現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室，陜西 西安 710072；2.中國航空工業(yè)集團(tuán)公司 中國燃?xì)鉁u輪研究院 渦輪技術(shù)研究室，四川 成都 610500)

針對單晶渦輪葉片榫頭進(jìn)氣窗口區(qū)域的再結(jié)晶問題，以降低葉片榫頭進(jìn)氣窗口應(yīng)力集中區(qū)域殘余應(yīng)力值為目標(biāo)，基于仿真迭代，通過對榫頭進(jìn)氣窗口圓角半徑的優(yōu)化，實現(xiàn)了對再結(jié)晶區(qū)域精鑄殘余應(yīng)力的調(diào)控。結(jié)果表明，單晶渦輪葉片進(jìn)氣窗口圓角半角R為1.2 mm時，應(yīng)力集中區(qū)域熱殘余應(yīng)力下降28.1%。通過實驗證明該參數(shù)下進(jìn)氣窗口再結(jié)晶現(xiàn)象得到消除。

殘余應(yīng)力；單晶；渦輪葉片；榫頭進(jìn)氣窗；再結(jié)晶; 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

空心渦輪葉片是現(xiàn)代航空發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵部件之一，其設(shè)計結(jié)構(gòu)和制造質(zhì)量直接影響著發(fā)動機(jī)整體性能。在渦輪葉片的制造過程中，為提高葉片的質(zhì)量和精度，實際生產(chǎn)中全部采用熔模精密鑄造方式成形。通過相關(guān)某型號葉片調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在后續(xù)的熱處理工藝中葉片榫頭進(jìn)氣窗口區(qū)域出現(xiàn)嚴(yán)重的再結(jié)晶的現(xiàn)象。由于單晶葉片不含或含少量的晶界強(qiáng)化元素，再結(jié)晶成為葉片的薄弱環(huán)節(jié)，這對葉片高溫力學(xué)性能和使用壽命產(chǎn)生極大的影響[1]。因此對再結(jié)晶消除的方式的研究具有重要的意義。

分析表明葉片的再結(jié)晶與鑄造過程中該區(qū)域熱殘余應(yīng)力過大，形成局部的應(yīng)力集中相關(guān)[2]。目前國內(nèi)外的研究消除再結(jié)晶的手段主要集中在工藝手段：回復(fù)處理和表面處理兩大類[3]。回復(fù)處理通過熱處理的方法釋放大部分應(yīng)變儲能的方式實現(xiàn)抑制或消除再結(jié)晶[4]。表面處理是直接去除表面變形層、滲碳和表面涂層等方式消除再結(jié)晶影響[5]。但這兩種方式都是只能針對變形量小于5%的合金，即殘余應(yīng)力較小的合金。由于熱殘余應(yīng)力與再結(jié)晶有著密切的關(guān)系，因此本研究在材料及工藝方案確定的前提下，從鑄造中產(chǎn)生變形的源頭出發(fā)，通過對葉片榫頭進(jìn)氣窗細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，控制熱殘余應(yīng)力水平的方式來實現(xiàn)榫頭進(jìn)氣窗口的再結(jié)晶[6]的抑制或消除。

1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化建模

渦輪葉片局部細(xì)節(jié)形狀、尺寸是影響整個葉片極限狀態(tài)下性能的直接因素，因此合理的葉片細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)是獲得高性能的必要條件之一。在進(jìn)氣窗口設(shè)計時，為了保證其最小壁厚和冷卻設(shè)計要求，榫頭進(jìn)氣孔幾何形狀一般采用矩形或平行四邊形；同時，考慮到便于陶芯模具的工藝操作，實現(xiàn)葉片內(nèi)腔結(jié)構(gòu)一體化成形，榫頭進(jìn)氣孔結(jié)構(gòu)首選平行四邊形狀。常見的葉片內(nèi)腔結(jié)構(gòu)的設(shè)計是按照壁面厚度分布函數(shù)計算葉柵平面的內(nèi)腔通道整體外形，再根據(jù)肋的位置參數(shù)計算各內(nèi)腔通道的外形數(shù)據(jù)文件，建立內(nèi)腔通道外形[7-8]。帶肋的葉身內(nèi)腔通道，其幾何參數(shù)包括進(jìn)/出口面積、當(dāng)量直徑、安裝角度、周長、肋高、肋間距、光滑邊長度、進(jìn)/出口半徑位置、葉片轉(zhuǎn)速等[9]。結(jié)合設(shè)計中的強(qiáng)度要求，冷氣通流面積以及通過實驗得到的DD6合金發(fā)生再結(jié)晶時的臨界條件，設(shè)定如下約束條件：

1)最大殘余應(yīng)力約束條件。為了使單晶渦輪葉片榫頭進(jìn)氣窗口區(qū)域鑄造殘余應(yīng)力不超過DD6單晶材料的再結(jié)晶臨界應(yīng)力σc，以避免發(fā)生再結(jié)晶。

2)最大通流面積約束條件。根據(jù)設(shè)計要求，每件葉片榫頭進(jìn)氣窗口最小面積A應(yīng)該不小A0，以免造成冷卻能力下降、冷效不足。

3)強(qiáng)度極限尺寸條件。在葉片內(nèi)、外形狀確定的條件下，決定葉片榫頭結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的幾何參數(shù)主要有，如圖1榫頭寬度H和榫頭進(jìn)氣孔間加強(qiáng)筋寬度L4；考慮到葉片除了受極限應(yīng)力外，還受疲勞應(yīng)力的作用。為了保證葉片滿足抗疲勞設(shè)計要求，取榫頭進(jìn)氣孔壁厚最小值不小于H-H1，即H-H1是定值，也是強(qiáng)度要求的尺寸最小值。

圖1 榫頭進(jìn)氣窗口截面Fig.1 Cross section of tenon intake window

優(yōu)化目標(biāo)為鑄造殘余應(yīng)力，優(yōu)化變量為結(jié)構(gòu)布局參數(shù)與尺寸參數(shù)，優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型為目標(biāo)函數(shù)：

(1)

約束條件：

(2)

式中：k為應(yīng)力集中系數(shù),Ai為進(jìn)氣孔通流面積,σrmax為最大殘余應(yīng)力,Ri為設(shè)計變量,φ(R,T)為目標(biāo)函數(shù),σc=f(T)為約束函數(shù)。

2 優(yōu)化方案設(shè)計

由于葉片平行四邊形榫頭進(jìn)氣通道形成小角度窄寬度形狀，且壁厚較大，其在制備過程中，極易產(chǎn)生較大的鑄造熱應(yīng)力，同時形成的殘余應(yīng)變能難以彈性變形方式釋放，進(jìn)而引起局部殘余應(yīng)力過大。為了避免或減緩這種因結(jié)構(gòu)不連續(xù)性導(dǎo)致的應(yīng)力集中問題，常見的做法是將尖角進(jìn)行倒圓處理，增加結(jié)構(gòu)連續(xù)性，以降低應(yīng)力集中。實際上，在單晶氣冷葉片的榫頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中，進(jìn)氣窗口形狀、尺寸設(shè)計受到強(qiáng)度和冷卻設(shè)計的限制，其進(jìn)氣孔圓角的曲率半徑R是決定應(yīng)力集中系數(shù)α的主要因子。因此，通過修改榫頭進(jìn)氣窗口的形狀來改善性能是很難做到的，但可采用優(yōu)化進(jìn)氣窗口轉(zhuǎn)角處形狀與尺寸的分布來達(dá)到控制局部應(yīng)力的目標(biāo)。故本文通過優(yōu)化進(jìn)氣窗口轉(zhuǎn)角半徑R的大小，使圓角處的最大殘余應(yīng)力低于DD6單晶合金再結(jié)晶臨界應(yīng)力值，實現(xiàn)抑制再結(jié)晶現(xiàn)象的發(fā)生的目的。

榫頭進(jìn)氣窗口結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計變量主要為各窗口轉(zhuǎn)角R的曲率半徑，根據(jù)鑄造手冊中的內(nèi)圓角的設(shè)計準(zhǔn)則[10]，可鑄造最小半徑為0.5 mm，最大為1.5 mm。建立相關(guān)的優(yōu)化方案如表1。

表1 優(yōu)化方案

在選定優(yōu)化策略前提下，建立合理的結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型，結(jié)合有限元仿真技術(shù)，對影響進(jìn)氣窗口區(qū)域鑄造殘余應(yīng)力的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)特征參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以獲得最優(yōu)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平與分布。該方法的優(yōu)點是直接從經(jīng)驗尺寸賦初始值，再進(jìn)行迭代優(yōu)化設(shè)計，通過仿真方法預(yù)測區(qū)域應(yīng)力場，然后與實驗獲得的DD6單晶再結(jié)晶臨界應(yīng)力模型作比值，從而得到優(yōu)化后的進(jìn)氣窗口尺寸控制模型。具體流程如圖2。

圖2 優(yōu)化流程Fig.2 Optimization flow

3 優(yōu)化結(jié)果分析

利用尺寸優(yōu)化與計算仿真相結(jié)合的優(yōu)化方法，對設(shè)計變量進(jìn)行同步優(yōu)化處理，并給出了各自參數(shù)優(yōu)化結(jié)果。通過上面所述的優(yōu)化過程，得到了如圖3所示優(yōu)化后的榫頭進(jìn)氣窗口。從圖中可以看出，優(yōu)化后進(jìn)氣窗口的位置與優(yōu)化前相同，而進(jìn)氣窗口的形狀和尺寸較初始通孔有細(xì)微變化，可明顯提高榫頭結(jié)構(gòu)的完整性。

根據(jù)仿真方案提供的方法依次建立仿真的參數(shù)化模型[11-17]，通過ProCAST軟件進(jìn)行仿真，具體參數(shù)設(shè)定依據(jù)相關(guān)參考文獻(xiàn)[18-20]。提取仿真結(jié)果如表2所示。

圖3 優(yōu)化后進(jìn)氣窗口結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure diagram of optimized intake window

通過二元多次線性回歸[21]的方式建立曲面擬合函數(shù):

(3)

在進(jìn)行一元函數(shù)擬合時候，根據(jù)數(shù)學(xué)原理，擬合多項式的指數(shù)m越高，所給數(shù)據(jù)點逼近的精度也越高，但為保證擬合函數(shù)不失真，其次數(shù)m通常小于數(shù)據(jù)規(guī)模M。同理在擬合曲面的時候為保證曲面的擬合精度，需要對多項式的m與n值進(jìn)行確定。為保證擬合函數(shù)的精度，將數(shù)據(jù)分為兩部分，一部分為樣本數(shù)據(jù)R0.8～R1.4，一部分為測試數(shù)據(jù)R0.5。根據(jù)表2中的樣本數(shù)據(jù)MXN的規(guī)模，初步確定m-1

設(shè)定x為溫度，y為半徑，在Matlab中實現(xiàn)曲面函數(shù)的擬合，函數(shù)中不同x、y指數(shù)對應(yīng)的確定系數(shù)的值如圖4所示。

表2 不同優(yōu)化方案應(yīng)力集中區(qū)域最大鑄造殘余應(yīng)力結(jié)果對比

一般情況下確定系數(shù)越接近于1，函數(shù)的擬合程度越好。從圖4可以看出半徑的最高指數(shù)對確定系數(shù)的影響比溫度的高，且在二者的次數(shù)為(3,3)的時候達(dá)到最大。因此得到截面最大殘余應(yīng)力與溫度以及半徑的函數(shù)關(guān)系式:

A(5)xy+A(6)y2+A(7)x3+A(8)x2y+

A(9)xy2+A(10)y3

(4)

式中:x指溫度，℃；y表示半徑，mm；σrmax表示最大的應(yīng)力，MPa；A(i)，i=1,2,…,10為常數(shù)。具體的曲面擬合圖5。

將R0.5的測試數(shù)值與擬合函數(shù)建立的預(yù)測數(shù)據(jù)對比，如圖6所示，從圖中可以看出在1 200℃時兩者的誤差達(dá)到最大，但沒有改變殘余應(yīng)力隨溫度變化的趨勢，且曲線呈現(xiàn)明顯的凹陷，到最后預(yù)測模型數(shù)據(jù)與仿真建模數(shù)據(jù)近似重合，這說明該模型雖然存在一定誤差，但對于目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)解沒有影響。

圖4 擬合函數(shù)的確定系數(shù)與指數(shù)的關(guān)系Fig.4 Fitting function′s R-square and index′s relationship

圖5 曲面擬合圖Fig.5 Surface fitting diagram

圖6 函數(shù)擬合誤差分析圖Fig.6 Fitting function error analysis diagram

令函數(shù)中的溫度T為常數(shù)，通過Matlab對函數(shù)進(jìn)行多約束單變量的優(yōu)化求解，得到表3。根據(jù)優(yōu)化參數(shù)R對榫頭進(jìn)氣窗口最大鑄造熱應(yīng)力的影響規(guī)律，以及與DD6單晶高溫合金再結(jié)晶臨界應(yīng)力[22]的對比，如圖7所示。從圖中可以看出優(yōu)化參數(shù)R1.2與R1.23的最大應(yīng)力值均在臨界應(yīng)力值下方，但優(yōu)化結(jié)果R1.23的數(shù)值波動較大。榫頭進(jìn)氣窗口區(qū)域面積的約束(R大于等于1.15 mm)，故最終優(yōu)化結(jié)果R=1.2 mm。

表3 T=C(常數(shù))時R的最優(yōu)解

圖7 優(yōu)化參數(shù)R對鑄造熱應(yīng)力的影響Fig.7 Optimization parameters R influence on the casting thermal stress

4 試驗驗證

截取仿真中同一溫度時刻的優(yōu)化前R0.5的榫頭進(jìn)氣窗口截面與優(yōu)化后的R1.2的進(jìn)氣窗截面應(yīng)力云圖，如圖8所示。對比發(fā)現(xiàn)。應(yīng)力集中區(qū)域的應(yīng)力水平下降明顯，應(yīng)力集中區(qū)域的最大值優(yōu)化后結(jié)果與優(yōu)化前下降了28.1%。由此說明通過圓角半徑的優(yōu)化實現(xiàn)了對殘余應(yīng)力的調(diào)控。

圖8 R0.5/R1.2殘余應(yīng)力云圖Fig.8 R0.5/R1.2 Residual stress cloud chart

根據(jù)優(yōu)化結(jié)果對設(shè)計變量值進(jìn)行優(yōu)化，在簡化模型中將葉片榫頭進(jìn)氣窗口轉(zhuǎn)角、材料分別設(shè)置為1.2 mm和DD6。然后依據(jù)實際工藝澆注出葉片鑄件，待定向凝固冷卻切去澆注系統(tǒng)，去除陶芯后，再在室溫下通過Proto公司生產(chǎn)的X衍射設(shè)備進(jìn)行應(yīng)力測量。依據(jù)仿真結(jié)果選定圖9(a)、(b)截面Point1、Point2、Point3、Point4四個點作為測量點。測量結(jié)果如表4。

根據(jù)測量結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，仿真數(shù)據(jù)的變化趨勢與測量結(jié)果變化趨勢一致，這表明基于ProCAST的定向凝固的應(yīng)力場數(shù)值模擬與生產(chǎn)實際中應(yīng)力分布情況類似。對比優(yōu)化前后的結(jié)果，測量結(jié)果與仿真結(jié)果均顯示，通過修改局部細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)的方式，可以有效降低榫頭區(qū)域的應(yīng)力集中水平，根據(jù)測量結(jié)果得到其應(yīng)力水平下降27.78%。隨后對葉片進(jìn)行熱處理，通過水浸法觀察發(fā)現(xiàn)，R1.2的榫頭區(qū)域再結(jié)晶現(xiàn)象得到消除。由此可知通過調(diào)整結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)對殘余應(yīng)力水平的調(diào)整，并實現(xiàn)對由于局部應(yīng)力集中引起的再結(jié)晶的控制。

圖9 測量點規(guī)劃Fig.9 Measurement points planning

點號Point1Point2Point3Point4優(yōu)化前σtest/MPa898．763716．657508．579-489．982σsimulate/MPa375335266-278優(yōu)化后σtest/MPa649．06511．571477．675-331．877σsimulate/MPa266185112-137

4 結(jié)論

1)為降低榫頭殘余應(yīng)力水平，在對榫頭設(shè)計結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，提出優(yōu)化圓角半徑的方法，在強(qiáng)度、冷通流面積、臨界再結(jié)晶應(yīng)力優(yōu)化約束基礎(chǔ)上，通過仿真迭代的優(yōu)化流程得到優(yōu)化的最優(yōu)解R為1.2 mm。

2)經(jīng)仿真驗證優(yōu)化后的榫頭進(jìn)氣窗口的應(yīng)力集中區(qū)域殘余應(yīng)力下降達(dá)到28.1%。通過實驗驗證優(yōu)化后的榫頭進(jìn)氣窗結(jié)構(gòu)，再結(jié)晶現(xiàn)象得到消除?；诖耍f明控制殘余應(yīng)力的方法可以有效降低再結(jié)晶的現(xiàn)象的發(fā)生。

[1]陳榮章. 單晶高溫合金發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 材料工程, 1995(8): 3-12. CHEN Rongzhang. Development status of single crystal superalloys[J]. Journal of materials engineering, 1995(8): 3-12.

[2]熊繼春, 李嘉榮, 趙金乾, 等. 單晶高溫合金DD6再結(jié)晶晶界析出相特征及其形成機(jī)制[J]. 金屬學(xué)報, 2009, 45(10): 1232-1236. XIONG Jichun, LI Jiarong, ZHAO Jinqian, et al. Characteristic and formation mechanism of precipitates at recrystallization grain boundaries of single crystal superalloy DD6[J]. Acta metallurgica sinica, 2009, 45(10): 1232-1236.

[3]孟杰, 金濤. 鎳基單晶高溫合金的再結(jié)晶[J]. 材料工程, 2011(6): 92-98. MENG Jie, JIN Tao. Recrystallization of single crystal nickel-based superalloys[J]. Journal of materials engineering, 2011(6): 92-98.

[4]OKAZAKI M, OHTERA I, HARADA Y. Damage repair in CMSX-4 alloy without fatigue life reduction penalty[J]. Metallurgical and materials transactions a, 2004, 35(2): 535-542.

[5]張兵, 曹雪剛, 劉昌奎. 單晶高溫合金再結(jié)晶的抑制方法研究進(jìn)展[J]. 失效分析與預(yù)防, 2013, 8(3): 191-196. ZHANG Bing, CAO Xuegang, LIU Changkui. Review on inhibition methods of recrystallization of single crystal superalloys[J]. Failure analysis and prevention, 2013, 8(3): 191-196.

[6]BüRGEL R, PORTELLA P D, PREUHS J. Recrystallization in single crystals of nickel base superalloys[C]//Superalloys 2000. Warrendale: The Minerals, Metals & Materials Society, 2000: 229-238.

[7]岳珠峰, 李立州, 虞跨海, 等. 航空發(fā)動機(jī)渦輪葉片多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2007. YUE Zhufeng, LI Lizhou, YU Kuahai, et al. MDO technology applied to the aeroengine turbine blade design[M]. Beijing: Science Press, 2007.

[8]趙海. 渦輪榫頭/榫槽結(jié)構(gòu)設(shè)計方法研究[D]. 南京: 南京航空航天大學(xué), 2005. ZHAO Hai. Research on design method of turbine tenon/mortise[D]. Nanjing: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2005.

[9]曹志廷, 郭文, 潘炳華, 等. 渦輪葉片冷卻設(shè)計優(yōu)化方法研究[J]. 燃?xì)鉁u輪試驗與研究, 2012, 25(4): 30-36. CAO Zhiting, GUO Wen, PAN Binghua, et al. Optimization of turbine blade cooling design with iSIGHT[J]. Gas turbine experiment and research, 2012, 25(4): 30-36.

[10]姜不居. 熔模鑄造手冊[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2000. JIANG Buju. Handbook of investment casting[M]. Beijing: China Machine Press, 2000.

[11]董一巍. 凈成形空心渦輪葉片精鑄模具型腔優(yōu)化設(shè)計方法研究[D]. 西安: 西北工業(yè)大學(xué), 2012. DONG Yiwei. Optimization design method of investment casting die profile for net-shaped hollow turbine blade[D]. Xi'an: Northwestern Polytechnical University, 2012.

[12]WANG P, XIAO N, LI D, et al. Numerical simulation of deformation during hot procedure for large hydraulic turbine runner blade[J]. Materials science forum, 2010(654-656):1565-1569.

[13]CUI K, WANG W, JIANG R, et al. Reverse adjustment algorithm of ceramic core locators in hollow turbine blade investment casting die[J]. Acta aeronautica et astronautica sinica, 2011, 32(10): 1934-1929.

[14]DONG Y W, KUN B U, DOU Y Q, et al. Determination of wax pattern die profile for investment casting of turbine blades[J]. Transactions of nonferrous metals society of China, 2011, 21(2): 378-387.

[15]DONG Y W, ZHANG D H, BU K, et al. An optimum-curved die-profile for investment casting of turbo blades[J]. Advanced materials research, 2011, 314-316: 630-633.

[16]REED R. The superalloys[M]. Cambridge:Cambridge University Press, 2006.

[17]卜昆,李永毅,董一巍,王紅霞,田琨. 精鑄渦輪葉片非線性收縮率計算方法的研究[J]. 西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2009, 27(2): 214-218. Bu Kun, Li Yongyi, Dong Yiwei, Wang Hongxia, Tian Kun. Exploring calculation method of nonlinear shrinkage rate for investment casting turbine blade[J]. Journal of Northwestern Polytechnical University, 2009, 27(2): 214-218.

[18]袁帥. 基于實驗的單晶葉片精鑄成形仿真邊界條件求解研究[D]. 西安: 西北工業(yè)大學(xué), 2012. YUAN Shuai. The calculation of simulative boundary condition during the investment casting of single crystal blade based on the experiment[D]. Xi'an: Northwestern Polytechnical University, 2012.

[19]DONG Yiwei, BU Kun, DOU Yangqing, et al. Determination of interfacial heat-transfer coefficient during investment-casting process of single-crystal blades[J]. Journal of materials processing technology, 2011, 211(12): 2123-2131.

[20]卜昆, 傅將威, 董一巍, 等. 基于仿真的單晶渦輪葉片精鑄工藝參數(shù)優(yōu)化[J]. 特種鑄造及有色合金, 2013, 33(4): 353-357. BU Kun, FU Jiangwei, DONG Yiwei, et al. Parameters optimization of investment casting single crystal turbine blade based on numerical simulation[J]. Special casting & nonferrous alloys, 2013, 33(4): 353-357.

[21]李云雁, 胡傳榮. 實驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理[M]. 2版. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2008. LI Yunyan, HU Chuanrong. Experiment design and data processing[M]. 2nd ed. Beijing: Chemical Industry Press, 2008.

[22]馬健, 李世峰, 何愛杰, 等. DD6單晶渦輪葉片緣板裂紋與再結(jié)晶研究[J]. 航空動力學(xué)報, 2012, 27(5): 1068-1073. MA Jian, LI Shifeng, HE Aijie, et al. Platform crack and recrystallization of DD6 single crystal turbine blade[J]. Journal of aerospace power, 2012, 27(5): 1068-1073.

Structural optimization of a tenon intake window for a single crystal turbine blade based on residual stress

QIU Fei1，BU Kun1，LI Shifeng2，Ding Xiaoyi1

(1. Modern design and Manufacturing Technology Key Laboratory of the Ministry of Education, Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710072, China; 2. Research Laboratory for Turbine, China Gas Turbine Establishment, Aviation Industry Corporation of China, Chengdu 610500,China)

The recrystallization of a single crystal turbine blade tenon intake window caused by local stress concentration can lead to fatigue of the aeroengine. By optimizing the structure of the tenon intake window, the residual casting stress of the recrystallization area can be decreased. The results show that the radius of the small tangential round corner of the tenon intake window plays an important role in the formation of the local stress concentration. To reduce the residual casting stress of the recrystallization area, the radius of the small tangential round corner is optimized. On the basis of the simulation iterations, the optimized result isR= 1.2 mm and the thermal residual casting stress is decreased by 28.1%. It is verified by experiment that the recrystallization of the intake window using the obtained parameter was eliminated.

residual stress; single crystal; turbine blade; tenon intake window; recrystallization; structural optimization

2015-08-30.

日期：2016-11-17.

國家自然科學(xué)基金項目(51371152).

邱飛(1990-),男, 博士研究生; 卜昆(1965-),女，教授，博士生導(dǎo)師.

卜昆，E-mail:fallfly_317@163.com.

10.11990/jheu.201508056

http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20161117.1504.004.html

V232.4

A

1006-7043(2017)02-0235-06

邱飛, 卜昆,李世鋒，等. 基于殘余應(yīng)力的單晶葉片榫頭進(jìn)氣窗結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報， 2017, 38(2): 235-240. QIU Fei ，BU Kun ，LI Shifeng ， et al. Structural optimization of a tenon intake window for a single crystal turbine blade based on residual stress[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2017, 38(2): 235-240.