DD6單晶合金氣膜孔薄壁平板高溫持久性能

胡春燕，徐元銘，劉新靈，陶春虎

(1.北京航空材料研究院 中國航空工業(yè)集團(tuán)公司失效分析中心，北京 100095； 2.航空材料檢測與評價北京市重點實驗室，北京 100095； 3.材料檢測與評價航空科技重點實驗室，北京 100095；4.北京航空航天大學(xué)，北京 100191)

DD6單晶合金氣膜孔薄壁平板高溫持久性能

胡春燕1,2,3，徐元銘4，劉新靈1,2,3，陶春虎1,2,3

(1.北京航空材料研究院 中國航空工業(yè)集團(tuán)公司失效分析中心，北京 100095； 2.航空材料檢測與評價北京市重點實驗室，北京 100095； 3.材料檢測與評價航空科技重點實驗室，北京 100095；4.北京航空航天大學(xué)，北京 100191)

在980 ℃/300 MPa條件下，對帶氣膜孔與無氣膜孔的DD6單晶合金薄壁平板試樣進(jìn)行高溫持久試驗研究與有限元對比計算。結(jié)果表明：在相同名義應(yīng)力條件下，帶孔試樣的高溫持久壽命比無孔試樣的高溫持久壽命低，分別為69、90 h，氣膜孔的存在破壞了試樣的幾何連續(xù)性，導(dǎo)致氣膜孔周圍應(yīng)力集中為主要因素。通過斷口宏、微觀觀察發(fā)現(xiàn)，無試樣的斷裂方式為微孔聚集型斷裂，斷口上分布著大量方形小平面特征；而帶孔試樣由于氣膜孔改變了試樣中的應(yīng)力分布，在氣膜孔附近產(chǎn)生了應(yīng)力集中，當(dāng)裂紋擴(kuò)展至試樣邊緣，試樣被瞬間剪斷?；诰w塑性理論建立了蠕變模型，將其編入ABAQUS的UMAT子程序中對帶氣膜孔和無氣膜孔薄壁平板試樣分別進(jìn)行模擬分析，模擬結(jié)果顯示與試樣的斷裂位置及形貌吻合，在工程應(yīng)用條件下該模型是能用于薄壁平板的高溫持久斷裂壽命的預(yù)測。

氣膜孔；持久性能；DD6單晶高溫合金；晶體塑性理論

0 引言

單晶高溫合金是在定向凝固高溫合金基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，它不含或少含晶界強(qiáng)化元素，完全消除了晶界，合金的熱強(qiáng)性能顯著提高，綜合性能優(yōu)異，是目前制造先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)葉片的主要材料[1-2]。隨著航空發(fā)動機(jī)向高推重比和高流量比的追求，渦輪進(jìn)口溫度逐步升高，氣膜冷卻的研究很快展開，它通過在單晶葉片葉身開設(shè)若干排氣膜孔，將冷卻介質(zhì)以橫向射流的形式注入到主氣流中并覆蓋于葉身表面，形成溫度較低的冷氣膜，從而對葉片起到隔熱和冷卻的作用。然而，氣膜孔破壞了葉片結(jié)構(gòu)的幾何完整性，導(dǎo)致小孔周圍的葉片材料處于多軸高應(yīng)力狀態(tài)，這些氣膜孔附近的應(yīng)力集中會對葉片的使用壽命產(chǎn)生很大的影響[3-4]。

目前的研究大多針對氣膜孔形狀、排列方式和角度對葉片冷卻效果的影響方面，而對葉片壽命和強(qiáng)度分析的報道較為少見。李廣超等[5]研究了氣膜孔布局對前緣氣膜冷卻效率的影響，結(jié)果表明，隨著孔間距的增加，徑向平均冷卻效率逐漸降低，徑向角對徑向平均冷卻效率的影響非常復(fù)雜。Yu等[6]設(shè)計了帶氣膜孔的鎳基單晶合金平板試樣并對其進(jìn)行了一些研究，發(fā)現(xiàn)氣膜孔使得[001]取向單晶材料的應(yīng)力三軸度產(chǎn)生有利于材料的蠕變性能的變化，應(yīng)力三軸度越大，孔洞的增長速率越小，從而導(dǎo)致蠕變壽命變長。李磊等[7]對不同孔間距下鎳基單晶葉片氣膜孔的彈塑性行為研究表明，多排氣膜孔間存在著明顯的應(yīng)力干涉，孔邊八面體、十二面體、六面體滑移系均開動，最大分切應(yīng)力出現(xiàn)在夾角0°/20°/30°的位置上。Kakehi等[8]對帶孔平板試樣的蠕變行為進(jìn)行了研究，結(jié)果表明帶孔平板試樣的蠕變應(yīng)力與拉力的方向和平板的晶體取向有關(guān)。

以單晶高溫合金DD6為研究對象，利用無氣膜孔及帶氣膜孔的薄壁平板試樣在980 ℃/300 MPa條件下進(jìn)行持久試驗。采用JSM 5600型掃描電鏡對斷口形貌進(jìn)行微觀觀察，并基于晶體塑性蠕變損傷本構(gòu)進(jìn)行持久壽命模擬分析。

1 試驗材料及方法

本試驗所用DD6單晶合金材料由北京航空材料研究院提供，名義化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))如下：Cr 4.3%，Co 9%，Mo 2%，W 8%，Ta 7.5%，Re 2%，Nb 0.5%，Al 5.6%，Hf 0.1%，C 0.006%，其余為Ni。采用螺旋選晶法在高溫度梯度真空定向凝固爐中制取單晶試棒，試樣晶體取向為[001]，按照標(biāo)準(zhǔn)制度進(jìn)行熱處理，所有毛坯均采用X射線勞厄背衍射法進(jìn)行晶向檢查，其偏角控制在10°之內(nèi)。

根據(jù)單晶氣冷葉片的結(jié)構(gòu)特點(圖1a)，采用4排12孔結(jié)構(gòu)模擬了單晶氣冷葉片上氣膜孔的布局。本試驗采用無孔的薄壁平板試樣(圖1b)和帶孔的薄壁平板試樣(圖1c)各6件，氣膜孔的直徑為0.3 mm，均采用電液束加工。無孔試樣工作段加載應(yīng)力為300 MPa，帶孔試樣工作段含2個孔截面的加載應(yīng)力也為300 MPa。

圖1 單晶氣冷葉片和無氣膜孔模擬試樣、帶氣膜孔模擬試樣工作段

2 結(jié)果與討論

2.1 試驗結(jié)果分析

980 ℃/300 MPa條件下試樣的持久壽命及斷裂伸長率如表1所示。由表1可知，無孔試樣平均持久壽命為90 h，帶孔試樣平均持久壽命為69 h。可以看出，帶孔試樣的持久壽命比無孔試樣的持久壽命低，雖然在相同名義應(yīng)力條件下，但氣膜孔的存在破壞了試樣的幾何連續(xù)性，導(dǎo)致氣膜孔周圍存在應(yīng)力集中和應(yīng)力重分布。另外，由斷裂伸長率對比可知，無孔試樣平均斷裂伸長率為40%，約為帶孔試樣的4倍，可見氣膜孔對DD6單晶高溫合金的高溫持久性能有較大影響。

表1 980 ℃/300 MPa條件下試樣的持久壽命及斷裂伸長率Table 1 Average stress rupture life and extension rate of the specimens under 980 ℃/300 MPa

2.2 斷口宏微觀形貌

圖2為無孔試樣持久斷裂宏觀圖，可以看出，裂紋在試樣一端沿與拉伸方向約呈90°擴(kuò)展。圖3為無孔試樣的斷口宏、微觀形貌。斷口上主要為方形小平面特征，小平面之間以韌窩或撕裂棱連接，在小平面中心有小孔洞，它們?yōu)槿渥兂志昧鸭y的萌生和擴(kuò)展提供了有利條件，一旦在微孔洞周圍生成裂紋，會以相對較快的速率進(jìn)一步擴(kuò)展，從而引起其他微孔洞周圍也生成裂紋，并最終導(dǎo)致斷裂[9-10]。

圖2 無孔薄壁平板試樣持久斷裂宏觀形貌

圖4為帶孔試樣持久斷裂宏觀形貌，可以看出，裂紋在第2列上下兩孔沿與拉伸方向約呈90°擴(kuò)展。圖5給出了帶孔試樣的斷口形貌。整體來看，由于氣膜孔周圍存在應(yīng)力集中，斷口首先從氣膜孔附近起源，當(dāng)裂紋擴(kuò)展至試樣邊緣，試樣被瞬間剪斷(圖5a)。在氣膜孔周圍存在二次裂紋和氧化物。兩孔之間區(qū)域主要為方形小平面，小平面與小平面之間以韌窩或撕裂棱連接，裂紋由小平面中心微孔洞向周圍擴(kuò)展[11-12](圖5b)；遠(yuǎn)離氣膜孔區(qū)域呈一定的晶體學(xué)平面特征，主要為滑移面和韌窩特征，試樣最終從此處斷裂。

圖3 無氣膜孔薄壁平板試樣的斷口形貌

圖4 帶孔薄壁平板試樣持久斷裂宏觀圖

圖5 帶孔薄壁平板試樣斷口形貌

2.3 斷口側(cè)表面宏微觀形貌

圖6為無孔試樣斷口側(cè)表面形貌。斷裂位置位于工作段的一側(cè)，試樣表面可見大量網(wǎng)格狀的變形痕跡線，高倍下觀察表面氧化物呈尖晶石狀，經(jīng)能譜分析，氧化產(chǎn)物以(Ni,Co)O為主。

圖7為帶孔薄壁平板試樣斷口側(cè)表面形貌。試樣從上下兩個孔邊斷裂，兩孔發(fā)生明顯的拉長變形，可見變形的區(qū)域較無孔試樣的面積小，主要集中在孔附近，孔邊可見開裂，裂紋方向大致垂直于試樣拉伸方向，在孔邊痕跡線呈粗棱狀，集中在孔中部兩側(cè)。

2.4 有限元分析

圖8給出了無孔和帶孔平板試樣的有限元應(yīng)力分布圖，由圖可知，對于無孔平板試樣，應(yīng)力最大點位于試樣的兩端，其斷裂位置、形狀與試驗結(jié)果一致。對于帶孔平板試樣，可以看到氣膜孔邊緣存在應(yīng)力集中和較大的應(yīng)力梯度，有限元結(jié)果顯示應(yīng)力最大點在第2列孔處，與試樣斷裂位置幾乎一致。同時裂紋開裂方向主要沿上下孔直徑連線擴(kuò)展，最后擴(kuò)展到遠(yuǎn)離孔的區(qū)域成滑移開裂，有限元分析結(jié)果與試驗結(jié)果吻合。

圖6 無孔薄壁平板試樣斷口側(cè)表面形貌Fig.6 Fracture side surface morphologies of the specimens without cooling holes

圖7 帶孔薄壁平板試樣斷口側(cè)表面形貌Fig.7 Fracture side surface morphologies of the specimens with cooling holes

圖8 無孔和帶孔薄壁平板試樣有限元應(yīng)力分布圖Fig.8 Stress distribution of the thin-walled plate specimens

晶體塑性理論[13-14]從晶體學(xué)特征的滑移變形出發(fā)，可以準(zhǔn)確地預(yù)測晶體材料的各向異性力學(xué)行為以及變形過程中組織結(jié)構(gòu)的演化與發(fā)展。本研究基于晶體塑性蠕變損傷本構(gòu)理論，采用式(1)的蠕變本構(gòu)關(guān)系。

根據(jù)晶體滑移理論和蠕變持久的一般規(guī)律，將持久壽命表示為分切應(yīng)力的指數(shù)函數(shù)，采用式(2)的高溫持久斷裂壽命計算公式。

式中：B和N為系數(shù)；tf為持久壽命；τmax為最大分切應(yīng)力。

為了進(jìn)行擬合，將式(2)兩邊取對數(shù)，變?yōu)?/p>

lgtf=Nlgτmax+lgB(3)

根據(jù)試驗結(jié)果，擬合可得十二面體的滑移系參數(shù)為：N=-0.090 76，B=138.36。根據(jù)式(2)得到無孔和帶孔薄壁平板試樣的持久壽命，見表2。對比數(shù)據(jù)可以看出，采用工程經(jīng)驗公式計算的持久壽命與試驗結(jié)果較為接近，說明采用基于分切應(yīng)力的蠕變持久壽命計算模型是能用于工程計算條件下薄壁平板的高溫持久斷裂壽命。

表2 有限元計算結(jié)果和試驗結(jié)果比較

3 結(jié)論

1)在相同的名義應(yīng)力條件下，氣膜孔的存在破壞了試樣的幾何連續(xù)性，導(dǎo)致氣膜孔周圍應(yīng)力集中，帶孔薄壁平板試樣高溫持久壽命比無孔試樣高溫持久壽命低，分別為69、90 h。

2)無孔和帶孔薄壁平板試樣的斷口宏、微觀形貌表明，無孔和帶孔薄壁平板試樣均為微孔聚集型斷裂，而帶孔試樣由于氣膜孔的存在產(chǎn)生了應(yīng)力集中，首先從氣膜孔附近應(yīng)力高的區(qū)域開始起裂，當(dāng)裂紋擴(kuò)展至試樣邊緣，試樣被瞬間剪斷。

3)基于晶體塑性蠕變損傷本構(gòu)理論建立了蠕變模型，模擬結(jié)果與試樣的斷裂位置及形貌吻合，采用工程經(jīng)驗公式計算的持久壽命與試驗結(jié)果較為接近，說明采用基于分切應(yīng)力的蠕變持久壽命計算模型是能用于工程計算條件下薄壁平板的高溫持久斷裂壽命的預(yù)測。

[1] 李嘉榮,熊繼春,唐定中. 先進(jìn)高溫結(jié)構(gòu)材料與技術(shù)(上) [M]. 北京:國防工業(yè)出版社,2012:7.

[2] Caron P, Comu D, Khan T, et al. Development of a hydrogen resistant superalloy for single crystal blade application in rocket engine turbopumps[C]. Superaloys,1996,Seven Springs,PA:TMS,1996.

[3] Mazur Z, Luna-Ramírez A, Juádrez-Islas J A, et al. Failure anaylsis of a gas turbine blade made of Inconel 738LC alloy[J]. Engineering Failure Analysis,2005,12(3):474-486.

[4] Kupkovits R A, Neu R W. Thermomechanical fatigue of a directionally-solidified Ni-based superalloy: smooth and cylindrically-notched specimens[J]. International Journal of Fatigue,2010,32(8):1330-1342.

[5] 李廣超,朱惠人,白江濤,等. 氣膜孔布局對前緣氣膜冷卻效率影響的實驗[J]. 推進(jìn)技術(shù),2008,29(2):153-157.

[6] Yu Q M, Wang Y L, Wen Z X, et al. Notch effect and its mechanism during creep rupture of nickel-base single crystal superalloys[J]. Materials Science and Engineering A,2009,520(1-2):1-10.

[7] 李磊,侯乃先,敖良波,等. 不同孔間距下鎳基單晶葉片氣膜孔彈塑性行為研究[J]. 稀有金屬材料與工程,2013,42(3):519-523.

[8] Kakehi K. Effect of plastic anisotropy on the creep strength of single crystals of a nickel-based superalloy[J]. Metallurgical and Materials Transactions A,2000,31(2):421-430.

[9] 胡春燕,劉新靈,陶春虎. DD6單晶高溫合金低周疲勞斷裂特征的研究[J]. 失效分析與預(yù)防,2014,9(4):224-227.

[10] 張兵,劉德林,陶春虎,等. 表面再結(jié)晶對單晶高溫合金SRR99中溫持久性能及斷裂行為的影響[J]. 航空材料學(xué)報,2012,32(6):85-89.

[11] 張麗輝,唐定忠,曹雪剛. 單晶高溫合金損傷與斷裂特征研究[J]. 失效分析與預(yù)防,2012,7(3):148-152.

[12] 劉昌奎,楊勝,何玉懷,等. 單晶高溫合金斷裂特征[J]. 失效分析與預(yù)防,2010,5(4):225-230.

[13] 岳珠峰,于慶民,溫志勛,等. 鎳基單晶渦輪葉片結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計[M]. 北京:科學(xué)出版社,2008:1.

[14] 卿華,江和甫,溫衛(wèi)東. 鎳基單晶合金氣冷葉片模擬試樣的蠕變性能研究[J]. 航空動力學(xué)報,2007,22(5):773-778.

Stress Rupture Behavior of Modeling Specimen with Cooling Holes of Single Crystal Superalloy DD6

HU Chun-yan1,2,3，XU Yuan-ming4，LIU Xin-ling1,2,3，TAO Chun-hu1,2,3

(1.AVICFailureAnalysisCenter,BeijingInstituteofAeronauticalMaterials,Beijing100095,China； 2.BeijingKeyLaboratoryofAeronauticalMaterialsTestingandEvaluation,Beijing100095,China；
3.AviationKeyLaboratoryofScienceandTechnologyonMaterialsTestingandEvaluation,Beijing100095,China；
4.BeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Beijing100191,China)

Experimental and finite element study on the stress rupture behavior of single crystal superalloy DD6 has been performed with modeling specimens with and without cooling holes at 980 ℃/300 MPa. The results indicate that the stress rupture life of specimens with cooling holes is 69 h, lower than that without cooling holes(90 h) at the same nominal stress conditions. The stress concentration around the cooling holes is the major factor. Scanning electron microscopy analysis on the fracture surface reveals that the specimens without cooling holes fractured in the mode of microvoid coalescence and the fracture surface was made up of small square-shaped facets. As for the specimens with cooling holes, the cracks propagated fast near the holes. Based on the crystal plasticity theory, a creep model was established, and used in the ABAQUS user subroutine (UMAT) to simulate the plate specimens with and without holes. The results show that the fracture position and fracture pattern are consistent well with finite element numerical analysis. In engineering, the creep model can be used to predict the stress rupture life of thin-walled plate specimens.

cooling hole；stress rupture behavior；single crystal superalloy DD6；crystallographic constitutive model

2016年11月26日

2016年12月30日

航空科學(xué)基金(2015ZE21004)

胡春燕(1983年-)，女，博士研究生，工程師，主要從事金屬失效分析與安全評估等方面的研究。

TG115.5

A

10.3969/j.issn.1673-6214.2017.01.008

1673-6214(2017)01-0038-05