内容简介
《涡轮叶片本征力学性能测试及评估》针对涡轮叶片本征力学性能，系统地对涡轮叶片小试样取样方法、涡轮叶片小试样取样编码及硬件管理规则、小试样与标准试样映射关系理论，以及涡轮叶片小试样取样在叶片抗蠕变性评估、叶片剩余寿命评估、叶片排故中的应用等进行介绍，包括不同结构形式涡轮叶片的取样方法、考虑颈缩大变形的小试样单轴拉伸试验数据转化方法、考虑颈缩大变形的小试样单轴蠕变试验数据转化方法、疲劳载荷作用下的小试样与标准试样加载应变的转化关系、涡轮叶片原位取样在结构强度、剩余寿命、叶片排故等领域的应用等内容。
目录
目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 背景及意义 1
1.1.1 叶片结构完整性要求 1
1.1.2 叶片本征力学性能测试的必要性 1
1.2 标准试样测试方法 3
1.3 小试样研究现状 4
1.3.1 小试样拉伸测试的数据关联 5
1.3.2 测试设备与新型测量技术 5
1.4 小试样测试方法 6
参考文献 8
第2章 小试样高温变形的测量方法 12
2.1 引言 12
2.2 EFPI工作原理及标定 13
2.2.1 EFPI的工作原理 13
2.2.2 试样形式及常温标定试验 15
2.2.3 温度敏感性标定试验 18
2.2.4 高温拉伸试验 20
2.2.5 高温蠕变试验 21
2.3 小试样高温拉伸有限元分析 21
2.4 小试样高温拉伸试验结果 25
2.4.1 高温拉伸预试验结果 25
2.4.2 镍基高温合金高温拉伸试验结果 28
2.5 小试样高温蠕变试验结果 32
2.6 本章小结 36
参考文献 37
第3章 叶片本征性能测试方法 39
3.1 引言 39
3.2 数据转换与试验 40
3.3 典型测试数据及映射关系 44
3.3.1 单轴拉伸数据映射 44
3.3.2 蠕变数据映射 45
3.3.3 疲劳数据映射 47
3.4 本章小结 49
参考文献 49
第4章 涡轮叶片取样抗蠕变性评估 52
4.1 叶片原位取样设计 52
4.1.1 带孔样模拟件取样设计 52
4.1.2 工字形模拟件取样设计 54
4.1.3 叶片原位取样设计合理性 55
4.2 叶片不同部位原位取样抗蠕变性评估 57
4.2.1 叶片不同部位原位取样拉伸试验数据 57
4.2.2 叶片不同部位原位取样蠕变试验数据 59
4.2.3 叶片不同部位原位取样微观组织演化 61
4.3 叶片榫头原位取样厚度影响 66
4.3.1 叶片榫头原位取样情况 66
4.3.2 叶片榫头原位取样不同厚度的试验结果 66
4.4 本章小结 70
参考文献 70
第5章 涡轮叶片不同服役时间剩余寿命评估 72
5.1 叶片原位取样规划及解剖方案 72
5.1.1 叶片原位取样规划 72
5.1.2 叶片原位取样解剖方案 72
5.2 不同服役时间叶片原位取样剩余蠕变寿命试验结果 74
5.2.1 蠕变试验结果 74
5.2.2 不同服役时间叶片不同部位微观组织 77
5.2.3 不同服役时间对叶片微观组织的影响 80
5.3 叶片不同服役时间下的剩余寿命评估 85
5.3.1 理论模型 85
5.3.2 理论预测结果 89
5.4 本章小结 90
参考文献 90
第6章 叶片排故中的小试样方法 92
6.1 背景 92
6.2 叶片取样情况 92
6.2.1 试验件规划 92
6.2.2 微型持久试验件设计及取样位置 94
6.2.3 小试样取样夹具设计及取样 95
6.3 叶片排故试验及分析 95
6.3.1 小试样预变形分析 96
6.3.2 持久试验结果 97
6.3.3 延伸率及断面收缩率 101
6.3.4 晶粒度 103
6.3.5 断口分析 111
6.3.6 持久试验前SEM 分析 113
6.3.7 持久试验后SEM 分析 118
6.3.8 持久试验前后EDS 分析 121
6.3.9 有限元模拟 128
6.4 本章小结 132
参考文献 132
第7章 叶片不同部位服役过程性能劣化对比评估 134
7.1 小试样持久和低周疲劳试验件设计 134
7.2 高压涡轮叶片取样位置及取样方案 135
7.2.1 高压涡轮工作叶片取样 135
7.2.2 高压涡轮导向叶片取样 137
7.3 工作叶片持久试验方案及过程 138
7.3.1 材料及试样 138
7.3.2 蠕变试验结果数据汇总及分析 140
7.3.3 持久蠕变试验断口分析 142
7.3.4 试验小结 148
7.4 导向叶片持久试验 149
7.4.1 材料及试样 149
7.4.2 导向叶片蠕变试验结果分析 150
7.4.3 持久蠕变试验断口分析 152
7.4.4 试验小结 158
7.5 导向叶片疲劳试验方案及过程 158
7.5.1 导向叶片疲劳试验装置及疲劳试验 158
7.5.2 导向叶片疲劳试验结果数据汇总及分析 160
7.5.3 疲劳试验断口分析 161
7.6 本章小结 162
参考文献 163
第8章 叶片资源及数据管理 164
8.1 叶片分区域取样编码规则 164
8.2 叶片*大化取样编码规则 167
8.3 叶片取样硬件管理规则 168
8.4 本章小结 169
试读
第1章绪论
1.1背景及意义
1.1.1叶片结构完整性要求
在航空发动机研制中，工作在高温、高压、高转速下的涡轮叶片，承受了离心、气动、热、振动等多种载荷的共同作用，其服役环境恶劣，受力复杂，因此对其寿命和可靠性提出了更高的要求。涡轮叶片研制的整个周期涉及材料、设计、制造、试验测试等多个专业领域，设计中气动、传热、结构强度等多学科迭代；制造时材料、铸造、特种工艺等多环节作用；试验时模拟件-真实件-单元体-整机多层级验证等。涡轮叶片是发动机研制中*难攻克的技术之一，各国对此投入巨大。可以说，涡轮叶片的研发能力和水平，某种程度上代表了其所属航空发动机的先进程度，甚至体现了一个国家的整体制造能力。在发动机涡轮叶片研制过程中，结构完整性要求是保证其可靠性的先决条件，其中涉及了结构功能、强度、刚度（变形）、振动、疲劳、蠕变、损伤容限、寿命等方面内容，不仅与航空发动机的气动热力学问题相关，还与结构材料和制造工艺密切相关[1-10]。
1.1.2叶片本征力学性能测试的必要性
航空发动机服役过程中，其核心部件涡轮叶片通常在高温、高压、高转速条件下工作，载荷有离心、气动、热、振动等形式，恶劣的服役环境和复杂的受力状态导致其寿命和可靠性的设计和评估异常困难。目前，对于航空发动机涡轮叶片的小试样测试、研究和应用较少，镍基单晶合金力学行为和表征研究普遍基于单*铸造试样的试验。涡轮叶片通常由浇铸方式一次铸造成型，受浇铸模壳的形状差异影响，成型后叶片不同部位的微观组织结构、铸造缺陷和单*铸造的试样均存在较大差异。对于空心叶片，由于内部表面无法进行机械加工，其表面质量、局部薄壁效应等因素对涡轮叶片的疲劳性能有较大影响。因此，需要针对气冷镍基高温合金叶片的材料特征和结构特征，开发本征力学性能的测试方法和理论模型。
单*铸造的试样不适合用于研究镍基单晶涡轮冷却叶片的本征疲劳力学行为和描述模型，需要从叶片中直接取样。受到叶片可取材料的限制，传统疲劳试验标准（如《金属材料轴向等幅低循环疲劳试验方法》（GB/T15248—2008））的*小试样尺寸已不适用，因此需要发展小疲劳试样试验技术。图1.1为常规铸造镍基高温合金IN738制成的工业燃气轮机叶片及其金相检验和小试样位置示意图，图1.2为850℃下叶根和翼型截面提取的金相检测的位置和小尺寸试样。与叶根截面相比，服役过程中复杂载荷作用导致的微观结构变化使翼型截面的拉伸和低周疲劳性能降低。由于航空发动机燃气涡轮叶片使用年限的特殊要求，需要开发更小尺寸的小试样及测试方法，以应对单晶涡轮叶片及其热障涂层（thermalbarriercoatings，TBC）系统热机械性能评估过程中遇到的尺寸效应，涂层和基体材料之间的界面性能及多尺度表征等挑战。单晶涡轮叶片材料在蠕变、疲劳、黏弹性或蠕变-疲劳交互作用方面的性能，以及它们在温度、时间、特殊位置和方向上的变化，都是影响涡轮叶片性能的关键问题。
1.2标准试样测试方法
材料力学性能反映了材料在不同载荷与环境条件下的变形、损伤与断裂行为规律，主要包括强度、塑性、韧性和硬度等指标。材料力学性能具有两方面的作用。一方面，材料力学性能指标具有量化特征，广泛服务于工程领域，如工程结构设计、原材料的优化选择和产品的质量检测。另一方面，材料力学性能与材料的微观结构密切相关，基于目标力学性能，设计微观组织结构并选择合适的制备工艺，能够有效地加速材料的研发工作。因此，获取材料的力学性能具有十分重要的科学与工程意义[11-14]。
一般情况下，材料的力学性能通过相应的力学测试方法获取，如拉伸测试、硬度测试、蠕变测试、断裂韧性测试和疲劳测试等[11，12]。为了保证结果的一致性、唯一性和可重复性，力学测试通常需要按照相应的测试标准进行。这些标准详细规定了测试面临的关键问题，如样品几何尺寸、测试设备、测试流程、操作规范和数据分析方法等。经过多年的发展和完善，大多数测试标准已经日趋成熟和稳定。一些国家建立了完善的测试标准体系，如中国（GB）、美国（ASTM）、英国（BS）、德国（DIN）和日本（JIS），并在国际标准化组织（ISO）的框架下推动国际标准的制定工作。测试样品是力学测试的基本载体，其几何尺寸在测试标准中具有明确的规定[14，15]。满足标准规定的测试样品被称为标准试样，通常具有下列特征：①样品具有足够的几何尺寸，能够包含足够数量的微观特征（如晶粒、晶界、第二相和夹杂物等），以反映材料在宏观尺度下的力学行为；②样品在加载过程中能够满足一定的力学条件，如单轴拉伸均匀变形阶段下的单轴应力状态，断裂韧性测试中裂纹尖端的平面应变状态，使测试结果准确反映规定状态下的力学响应行为；③样品具有几何相似性（甚至唯一性），使样品依赖性指标能够实现相互比较，如材料的总延伸率和冲击韧性；④样品具有较为简单的几何形状，便于样品的机械加工和装卡操
