一种高温合金涡轮叶片服役应力的实验评估方法
【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 片服役应力的实验评估方法。
【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 轮转子叶片是燃气的焓和动能转换成机械能的重要热端部件。由于转子叶片在燃气环境下 高速旋转，叶身长期承受机械应力及热应力的复杂作用。叶片各个部位所承受的应力大小 存在差异，即叶片的应力场不均匀，而叶片的应力场分布对于指导叶片的材料选择、叶形设 计以及在维修过程中确定考核点具有重要的指导意义，具有显著工业应用价值。
[0003] 目前，对于叶片的应力场分布的研究多采用基于边界条件的数值模拟计算的方 法，尚无基于微观组织的实验评估方法。
[0004] 镍基铸造高温合金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，叶片内部冶金组织不可避免的发生损伤退化。其中，由于叶片自身旋 转造成的离心应力以及由于高温燃气造成的热应力通常是叶片的最主要应力。由于应力的 的作用，原始立方状的γ '相会逐渐发生定向粗化，形成片状的筏形组织。同时，由于γ '相 筏形的驱动力与外加应力密切相关，随着外加应力的提高，γ '相的筏形完善程度也逐渐完 善和提高。因此，可利用实验建立筏形完善程度与外加应力的定量关系，从而根据其筏形完 善程度对叶片的服役应力进行定量评估。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供一种基于退化组织的定向凝固DZ125合金涡轮叶片服役应力 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应力进行评估，评估精 度大约为30MPa，适合工程应用。
[0006] -种高温合金涡轮叶片服役应力的实验评估方法，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，原始立方状的γ '相会逐渐发生定向粗化，形成片 状的筏形组织。应力是合金γ '相筏形完善程度的最主要影响因素，二者存在一定的对应关 系。因此可建立一定温度和时间下应力与γ '相筏形完善程度之间的对应关系，对叶片的实 际服役应力进行评估。具体的评估包括以下步骤：
[0007] 1)对涡轮叶片材料DZ125合金进行不同温度和时长下不同应力的蠕变中断实验， 随后对合金的一次γ '相的筏形完善程度进行统计，得到不同温度和时长下应力与一次γ ' 相筏形完善程度的对应关系。
[0008] 2)对实际服役m小时后的DZ125合金叶片某部位的一次γ '相筏形完善程度进行统 计，得到该部位的一次γ '相筏形完善程度。
[0009] 3)在该部位服役温度范围评估结果的基础上，进行平均服役应力的评估，将该部 位的γ '相筏形完善程度和该部位服役温度范围内进行m小时的持久中断实验后的γ '相筏 形完善程度进行对比，选取相近的筏形完善程度所对应的应力范围作为该部位的服役应力 评估结果，即得到该部位的服役应力。
[0010]步骤1)中所述DZ125合金不同温度应力下的持久中断实验的实验温度为900°C、 950°(：、1000°(：及1050°(：，实验应力范围为0~28010^;所述持久中断实验时长不超过叶片的 使用寿命，并在该时长范围内与待评估叶片的实际服役时间m等长。
[0011]步骤2)中所述筏形完善程度是按照下列公示：
[0013] 式中，杧表示垂直筏排化方向单位长度内筏形组织的交叉和中断的数目，Pf表示 平行于筏排化方向单位长度内筏形组织的交叉和中断的数目，Ω为γ '相筏形完善程度，其 数值范围为〇~1，Ω为0时，代表等轴的γ '相组织，即垂直与平行方向是等效的；Ω为1时， 代表理想的筏形组织，即Υ '相筏形既不中断也不交叉。
[0014] 本发明的优点在于，通过施加不同应力的持久中断实验确定了一定温度和时间下 应力与γ '相筏形完善程度之间的关系，利用该关系及实测获得的叶片基体的一次γ '相的 筏形完善程度，在服役温度评估的基础上，实现了对叶片基体的服役应力的量化评估。与数 值模拟计算方法相比，该方法排除了边界条件不确定性的影响，在评估叶片基体平均服役 应力的精度约为30MPa。该评估方法较易操作，适合工程应用，在DZ125合金叶片的服役应力 评估中具有较强工程应用意义及广阔前景。
【附图说明】
[0015] 图1为用于进行持久中断实验的变截面样品尺寸示意图。
[0016] 图2为DZ125合金300小时持久中断实验后不同温度下γ '相筏形完善程度与服役 应力的对应关系。
[0017] 图3为服役300小时的DZ125合金叶片叶身中部进气边处纵截面枝晶干处显微组 织。
【具体实施方式】
[0018] 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。
[0019] 将叶片材料DZ125合金加工成如图1变截面持久样品，在一根试样上形成直径分别 为6mm，7mm，8mm及9mm的4种截面，由此可在一根试样上形成了四种不同应力，随后对其进行 300h的不同温度的持久中断实验。最后形成的具体温度和应力分别为：900°C下124MPa， 158MPa，206MPa，280MPa;950 Γ 下98MPa，124MPa，162MPa，220MPa;1000 Γ 下18MPa，23MPa， 29MPa，40MPa，67MPa，84MPa，11OMPa，150MPa;1050 °C 下18MPa，23MPa，29MPa，40MPa。
[0020] 对上述持久中断实验后的样品的纵截面解剖，并对纵截面的组织进行观察，随后 利用如下公式统计γ '相的筏形完善程度：
[0022] 式中，表示垂直筏排化方向单位长度内筏形组织的交叉和中断的数目，Pf表示 平行于筏排化方向单位长度内筏形组织的交叉和中断的数目。Ω的数值范围为0~1，Ω为〇 时，代表等轴的γ '相组织，即垂直与平行方向是等效的；Ω为1时，代表理想的筏形组织，即 γ '相筏形既不中断也不交叉。Ω值越接近1，表示筏形化程度越完善。根据上述公式，在筏 形组织照片上绘制等长的垂直及平行于筏排方向的线段。随后测量垂直于筏形方向的线段 与γ / γ '相界面的交点数目，记为pf ;测量平行于筏形方向的线段与丫/丫'相界面的交点 数目，记为If，最后根据公式计算得到筏形完善程度Ω。对于同一位置，建议选取5张以上 筏形组织照片进行测量及计算，并得出Ω平均值与标准差。
[0023] 对900~1050°C不同应力下300h持久中断后组织的筏形完善程度进行统计，从而 建立了300h内一定温度下应力与γ '相的筏形完善程度之间的关系，如图2所示。
[0024]对图3所示实际服役300h后DZ125合金叶片叶身中部某部位的γ '相筏形完善程度 进行定量统计，得到其筏形完善程度（Ω)为0.29。由于该部位的服役温度为1000~1050°C， 将该部位的筏形完善程度与图1中1000~1050°C下的应力与筏形完善程度的关系进行对 比，得到其服役应力为34~62MPa。因此，在评估温度的基础上，实现了对服役应力的实验评 估，该评估结果在叶片的设计及维修中具有较强的工程应用意义。
【主权项】
1. 一种高温合金涡轮叶片服役应力的实验评估方法，其特征在于，具体包括以下步骤： 1) 对涡轮叶片材料DZ125合金进行不同温度和时长下不同应力的持久中断实验，随后 对合金的γ '相筏形完善程度进行定量统计，得到不同温度时间下各应力与γ '相筏形完善 程度之间的对应关系； 2) 对实际服役m小时的DZ125合金叶片某部位的γ '相筏形完善程度进行统计，得到服 役m小时叶片的γ '相筏形完善程度； 3) 在该部位服役温度范围评估结果的基础上，进行平均服役应力的评估，即将该部位 的γ '相筏形完善程度和该部位服役温度范围内进行m小时的持久中断实验后的γ '相筏形 完善程度进行对比，选取相近的筏形完善程度所对应的应力范围作为该部位的应力评估结 果。2. 如权利要求1所述的高温合金涡轮叶片服役应力的实验评估方法，其特征在于，步骤 1)中所述DZ125合金不同温度应力下的持久中断实验的实验温度为900 °C、950 °C、1000 °C及 1050°C，实验应力范围为0~280MPa。3. 如权利要求1所述的高温合金涡轮叶片服役应力的实验评估方法，其特征在于，步骤 1)中所述持久中断实验时长不超过叶片的使用寿命，并在该时长范围内与待评估叶片的实 际服役时间m小时等长。4. 如权利要求1所述的高温合金涡轮叶片服役应力的实验评估方法，其特征在于，所述 筏形完善程度是按照下列公示：式中，Pf表示垂直筏排化方向单位长度内筏形组织的交叉和中断的数目，&表示平行 于筏排化方向单位长度内筏形组织的交叉和中断的数目，Ω为γ '相筏形完善程度，其数值 范围为0~1，Ω为〇时，代表等轴的γ '相组织，即垂直与平行方向是等效的；Ω为1时，代表 理想的筏形组织，即γ '相筏形既不中断也不交叉。
【专利摘要】本发明提供了一种高温合金涡轮叶片服役应力的实验评估方法，涉及DZ125定向凝固高温合金涡轮叶片服役应力的实验评估。该方法通过持久中断实验研究了应力大小对合金γ’相的演变行为的影响，发现一定温度和时间下，γ’相的筏形完善程度会随着应力的提高而提高。同时，通过量化表征γ’相的筏形完善程度，确定了一定温度和时间下应力与枝晶干中部一次γ’相的筏形完善程度之间的对应关系。利用该关系以及实际服役一定时间后叶片的γ’相筏形完善程度，在评估服役温度的基础上，可对叶片的平均服役应力进行评估。该方法排除了叶片涂层及气膜冷却结构的复杂影响，实现了对叶片基体服役应力的评估，在DZ125叶片的服役应力评估方面具有重要的工程应用意义及广阔前景。
【IPC分类】G01L5/00
【公开号】CN105606288
【申请号】CN201610162676
【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5月25日
【申请日】2016年3月21日