一种高温合金涡轮叶片服役温度的实验评估方法

文档序号:9644917阅读:866来源:国知局
一种高温合金涡轮叶片服役温度的实验评估方法
【技术领域】
[0001]本发明属于镍基定向凝固高温合金叶片技术领域,具体涉及一种定向凝固涡轮叶片服役温度的实验评估方法。
【背景技术】
[0002]航空发动机是高度复杂和精密的热力机械,作为航空发动机最关键部件之一的涡轮叶片是燃气的焓和动能转换成机械能的重要热端部件。随着航空发动机推重比的不断提高,叶片外部燃气温度不断提高,常常远超叶片材料的熔点,因此需利用涂层、表面气膜冷却、内部冷却孔等方式降低叶片基体温度,但也给叶片的基体温度测量及计算增加了难度。同时,由于从燃烧室出来的燃气存在温度梯度,加之涡轮叶片自身结构的复杂性,涡轮叶片的不同部位工作时的温度梯度通常较大,服役温度场很不均匀。然而,叶片温度分布是涡轮叶片叶形及冷却结构设计的重要基础,同时也是叶片维修检测时确定考核点的重要依据,具有显著工业应用价值。
[0003]目前,建立在边界条件上的数值模拟计算方法是预测叶片温度场最为普遍的方法。但是,由于涡轮叶片涂层结构及冷却系统的复杂性以及它们对计算结果的影响,数值计算的方法往往难以准确预测叶片的基体温度。
[0004]涡轮叶片在服役过程中,由于长期处于高温高压燃气和复杂应力引起的蠕变作用下,内部冶金组织会不可避免地发生损伤退化,如γ ’相的粗化、筏形及体积分数的下降,碳化物的分解和转变,晶界γ’相膜的形成,TCP等脆性相的析出及蠕变孔洞与裂纹等。叶片的不同部位由于工况的不同,服役后组织的退化程度存在差异,通过量化表征叶片服役后微观组织的退化程度可以间接反推叶片的服役环境,使得利用退化的微观组织评估叶片服役温度场成为可能,但目前尚无将退化组织进行量化并利用其对叶片的实际服役温度的进行量化评估的相关报道。
[0005]因此,亟待发明一种基于退化组织的定向凝固DZ125高温合金涡轮叶片的服役温度实验评估方法,对叶片的基体温度进行定量评估。
[0006]

【发明内容】

[0007]本发明的目的是提供一种基于退化组织的定向凝固DZ125合金涡轮叶片服役温度的实验评估方法。该方法可对DZ125合金涡轮叶片叶身各部位的服役温度进行评估,评估精度为±50°C,评估结果更加可靠,适合工程应用。
[0008]—种高温合金涡轮叶片服役温度实验评估方法,其核心技术要点为:定向凝固DZ125合金涡轮叶片在实际服役过程中是其相组成由亚稳态向平衡态过渡的过程,温度是DZ125合金平衡态γ ’相的体积分数的决定因素,同时也是DZ125合金亚稳态γ ’相的体积分数的最主要影响因素,由此可建立温度和时间与枝晶干中部一次γ ’相的体积分数之间的对应关系,基于组织量化数据,从而对叶片实际服役温度进行评估。具体的评估包括以下步骤:
1)由于DZ125合金涡轮叶片叶片的设计使用温度为1050°C以下,同时考虑到实际使用中叶片存在超温的现象,对涡轮叶片材料DZ125合金进行不同温度下不同时长的热暴露实验,随后对合金在各温度不同时长下热暴露后的一次γ ’相体积分数进行定量统计,得到不同时间下各温度与一次γ ’相体积分数之间的对应关系。
[0009]2)对实际服役m小时后的DZ125合金叶片某部位的一次γ ’相体积分数进行统计,得到服役m小时叶片的一次γ ’相体积分数。
[0010]3)进行平均服役温度和最高服役温度评估,将统计所得的服役m小时的DZ125合金叶片的一次γ ’相体积分数和实验室热暴露得到的m小时后一次γ ’相体积分数与温度的对应关系进行对比,得到叶片的平均服役温度;将统计所得的服役m小时的DZ125合金叶片的一次γ ’相体积分数和实验室热暴露得到的m*15%-35%小时后一次γ ’相体积分数与温度的对应关系进行对比,得到叶片的最高服役温度。
[0011]所述实际服役时间m彡叶片使用寿命。
[0012]所述DZ125合金进行不同温度下不同时长的的热暴露实验的温度是900°C、950°C、1000°C、1050°C及1100°C,热暴露时长不超过叶片的使用寿命,并在该时长范围内与叶片实际服役时间m等长或与叶片实际服役时间m*15°/『35%等长。
[0013]所述与叶片实际服役时间m等长的热暴露实验用来评估平均服役温度,与叶片实际服役时间m*15°/『35%等长的热暴露实验用来评估最高服役温度。
[0014]本发明的优点在于,通过热暴露实验确立了温度和时间与一次γ ’相的体积分数之间的对应关系,利用该关系及实测的服役一定时间后叶片基体的一次γ’相的体积分数,实现了对服役叶片基体温度的量化评估。与数值模拟计算方法相比,该方法排除了叶片涂层及气膜冷却对叶片服役温度的复杂影响,在评估叶片基体服役温度方面的精度为±50°C。评估结果更加可靠,适合工程应用,在DZ125叶片的服役温度评估中具有较强工程应用意义及广阔前景。
[0015]
【附图说明】
[0016]图1为服役900h后DZ125合金叶片榫头部位横截面枝晶干处显微组织。
[0017]图2为经标准热处理后DZ125合金横截面枝晶干处显微组织。
[0018]图3为DZ125合金γ ’相体积分数与服役温度和时长的对应关系。
[0019]图4为服役900小时DZ125合金叶片某部位横截面枝晶干处显微组织。
[0020]
【具体实施方式】
[0021]以下示例将对本发明予以进一步的说明,以便本领域人员更好地理解本发明的优点和特征。
[0022]首先,验证DZ125服役叶片及片材料DZ125合金的原始组织是否近似或一致。对DZ125合金叶片榫头部位及经标准热处理后的叶片材料DZ125合金的显微组织进行观察,二者丫’相的形貌、尺寸及立方度十分接近,分别如图1及图2所示。参照GB/T 15749中的网格数点法定量统计γ ’相的体积分数。设定216个网格交点,当交点位于γ ’相中计为1,当交点位于γ ’相与基体界面计为0.5,当交点位于基体中计为0,上述统计结果与交点总数的比值即为γ’相体积分数。在各观察位置至少随机选取5个不重叠的视场计算γ’相体积分数,取平均值作为测量结果(以下统计体积分数均用此方法)。经统计DZ125合金及叶片榫头的γ ’相体积分数均为67%左右,经验证原始状态下二者的γ ’相体积分数也基本保持一致。
[0023]该型叶片翻修期为300h,因此获取的叶片实际服役时间多为300h、600h及900h,目前最长寿命为900h。因此对叶片材料DZ125合金进行900 °C、950 °C、1000 °C、1050 °C、1100°C下分别热暴露100h、300h、600h及900h的模拟实验。对热暴露后γ ’相的体积分数进行定量统计,得到各温度不同时长热暴露后的γ ’相的体积分数,从而建立了服役温度和时间与γ ’相的体积分数之间的对应关系,如图3所示。
[0024]定义叶片平均服役温度和最高服役温度:在叶片整个服役过程中,假定叶片的服役温度是恒定的;在已知的服役时间内,叶片等效或近似的损伤组织所对应的温度为平均服役温度。然而,叶片在整个服役过程中的服役温度并非是恒定的,在飞机的起飞和爬升阶段等较大运行状态所占的服役时间占总服役时间的15%-35%,但所造成的组织及寿命损伤却占总损伤的80%以上。因此,假定叶片较大运行状态占总服役时间的15%-35%,由于较大运行状态的较高温度及较强损伤作用,在已知服役时间的15%_35%时间段内,叶片等效或近似的损伤组织所对应的服役温度为叶片的最高服役温度。
[0025]对图4中实际服役900h后DZ125合金叶片叶身某部位γ ’相的体积分数进行定量统计,得到其γ ’相的体积分数为59.8%。
[0026]将该部位的体积分数与图3中900h下服役温度与γ ’相的体积分数之间的对应关系进行对比,得到其平均服役温度为950~1000°C。将该部位的体积分数与300h (占总服役时长的33%)下服役温度与γ ’相的体积分数之间的对应关系进行对比,得到其最高服役温度为 1000~1050°C。
[0027]通过评估得到DZ125合金叶片的平均服役温度及最高服役温度,由于叶片实际服役过程中,其服役状态与最高服役温度的假设更为接近,即叶片服役温度是不断变化的。并且由于高温与低温的温差较大,导致了占时较短的高温服役阶段造成的损伤却占总损伤的绝大部分。因此,最高服役温度的评估结果更接近叶片的实际服役条件,该评估结果在叶片的设计及维修中具有较强工程应用意义。
【主权项】
1.一种高温合金涡轮叶片服役温度的实验评估方法,其特征在于,具体包括以下步骤: 1)对涡轮叶片材料DZ125合金进行不同温度下不同时长的热暴露实验,随后对合金在各温度不同时长下热暴露后的一次γ’相体积分数进行定量统计,得到不同时间下各温度与一次γ ’相体积分数之间的对应关系; 2)对实际服役m小时后的DZ125合金叶片某部位的一次γ’相体积分数进行统计,得到服役m小时叶片的一次γ ’相体积分数; 3)进行平均服役温度和最高服役温度评估,将统计所得的服役m小时的DZ125合金叶片的一次γ ’相体积分数和实验室热暴露得到的m小时后一次γ ’相体积分数与温度的对应关系进行对比,得到叶片的平均服役温度;将统计所得的服役m小时的DZ125合金叶片的一次γ ’相体积分数和实验室热暴露得到的m*15%~35%小时范围内一次γ ’相体积分数与温度的对应关系进行对比,得到叶片的最高服役温度。2.如权利要求1所述的高温合金涡轮叶片服役温度的实验评估方法,其特征在于,所述实际服役时间m <叶片使用寿命。3.如权利要求1所述的高温合金涡轮叶片服役温度的实验评估方法,其特征在于,所述DZ125合金进行不同温度下不同时长的的热暴露实验的温度是900°C、950°C、1000°C、1050°C及1100°C,热暴露时长不超过叶片的使用寿命,并在该时长范围内与叶片实际服役时间m等长或与叶片实际服役时间m*15%~35%等长。
【专利摘要】本发明提供了一种高温合金涡轮叶片服役温度的实验评估方法,涉及DZ125定向凝固高温合金涡轮叶片服役温度的实验评估。该方法依据热力学相平衡原理,通过叶片材料实验室热暴露实验,确定了温度和时间与枝晶干中部一次γ’相的体积分数之间的对应关系。利用该关系与及实际服役一定时间后叶片的一次γ’相的体积分数,实现了对服役叶片的基体温度的评估。该方法排除了叶片涂层及气膜冷却对叶片服役温度的复杂影响,在评估叶片基体服役温度方面更加可靠,适合工程应用,在DZ125叶片的服役温度评估中具有较强工程应用意义及广阔前景。
【IPC分类】G01N17/00
【公开号】CN105403502
【申请号】CN201511001600
【发明人】冯强, 陈亚东, 安文瑞, 郑运荣
【申请人】北京科技大学
【公开日】2016年3月16日
【申请日】2015年12月28日
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